UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” Facultad de Ingeniería Civil, Sistemas y Arquitectura Escuela Profesional de Ingeniería Civil INFORME DE ENSAYO DE LABORATORIO Nº 3: “EQUIPO DE PERDIDAS DE CARGAS LOCALES” Asignat!a
:
D"#$nt$ %$ La&"!at"!i" : A'(n"
:
Mecánica de Fluidos - II
Ing. Wilmer Wilmer Zelada Zamora
Alarcón carrasco Deivis carlos Estela coronel Elder Goicochea Aguilar joselito
pimentel, mayo del 2,016
1.- INTRODUCCION
Es muy importante la diversidad actual de sistemas de transporte de fluidos se componen de tuberías y accesorios que tienen una extensa aplicación como en las plantas químicas y refinerías parecen un laberinto en tuberías, lo mismo que pasa con las plantas de producción de energía que contienen múltiples tuberías y accesorios para transportar los fluidos que intervienen en los procesos de conversión de energía. Los sistemas de suministro de agua a las ciudades y de saneamiento consisten en muchos kilómetros de tubería. uchas maquinas est!n controladas por sistemas hidr!ulicos donde el fluido de control se transporta en mangueras o tubos adheridas con accesorios. En estructuras largas, la perdida de cargas locales y por friccion es muy importante, por lo que es un ob"eto de constante estudio teórico experimental para obtener resultados t#cnicos aplicables.
2.-OBJETIVOS
El ob"etivo de esta pr!ctica es$ •
El ob"eto del presente informe es intentar facilitar el c!lculo de las p#rdidas de carga en un circuito hidr!ulico
•
%oner de manifiesto las perdidas de carga y los caracteres de una corriente que circula por un sistema hidraulico en los que existen cambios de seccion, de direccion y valvulas.
•
&omparar el factor obtenido en laboratorio con diversas teorías aplicadas en la obtención de perdidas de carga locales.
•
'er la importancia y significación de las p#rdidas de cargas locales y su significación en los accesorios.
3.- MARCO TEORICO
P)RDIDA DE CARGAS LOCALES
(ichas p#rdidas de cargas locales o aisladas tienen un valor, cada una de ellas, que depender! del tipo de obst!culo, del di!metro del tubo y de la velocidad del agua. )on valores muy variables para cada una, pues depender! tambi#n, del estado del mecanismo o accesorios de que se trate, de la abertura en el caso de las v!lvulas, etc. *ormalmente se expresan, dichas resistencias, en valores absolutos, +kgcm- o metros de columna de agua, o en valores equivalentes de metros de tubería de igual di!metro.
P)RDIDA EN UNA E*PANSI+N S,BITA
/n ensanchamiento súbito en la tubería provoca un incremento en la presión de %0 a %1 y un decrecimiento en la velocidad de '0 a '1 +figura 0.
Fig!a -. P/!%i%a $n na $01ansi2n s&ita.
)eparación y turbulencia ocurre cuando el flu"o sale del tubo m!s peque2o y las condiciones normales del flu"o no se restablecen hasta una cierta distancia aguas aba"o. /na presión %3 actúa en la 4ona de remolinos y el traba"o experimental ha demostrado que %3 5 %0. 6islando el cuerpo del fluido entre las secciones +0 y +1, las fuer4as que actúan sobre el fluido son las que se muestran en la figura 1.
Fig!a 4. 5"'($n %$ #"nt!"' 1a!a na $01ansi2n s&ita.
6plicando la ecuación de conservación de momentum según la cual 7la fuer4a que actúa sobre el fluido en la dirección del flu"o es igual al cambio de momentum7, %0 a0 8 %o +a1 9 a0 9 %1 a1 5 r : +'1 9 '0 &omo %3 5 %0 y : 5 a0 '0 5 a1 '1 entonces, +%0 9 %1 a1 5 r a1 '1 +'1 9 '0 +%0 9 %1 5 r '1 +'1 9 '0
+0
6plicando la ecuación de ;ernoulli entre las secciones +0 y +1,
8 %#rdidas )i el tubo est! dispuesto hori4ontalmente 40 5 41, entonces$
%#rdidas )ustituyendo %0 9 %1 de la ecuación +0,
%#rdidas +1 p#rdidas
/tili4ando la ecuación de continuidad se tiene que a0'0 5 a1'1, o sea, '1 5 a0'0 a1. )ustituyendo '1 en la ecuación +1, se expresan las p#rdidas menores +hL en t#rminos de '0,
< dado que
resulta
= +coeficiente de p#rdida /n caso especial ocurre cuando un tubo descarga en un tanque +figura >. El !rea a0 del tubo es muy peque2a comparada con el !rea a1 del tanque? entonces,
=
50y
Fig!a 3. D$s#a!ga %$ na t&$!6a $n n tan7$.
P)RDIDA EN UNA CONTRACCI+N S,BITA
Fig!a 8. P/!%i%a $n na #"nt!a##i2n s&ita.
El flu"o a trav#s de una contracción súbita usualmente involucra la formación de una vena contracta en el tubo peque2o, aguas aba"o del cambio de sección. La p#rdida total de energía en una contracción súbita se debe a dos p#rdidas menores separadamente. @stas son causadas por$ 0. La convergencia de las líneas de corriente del tubo aguas arriba a la sección de la vena contracta. 1. La divergencia de las líneas de corriente de la sección de la vena contracta al tubo aguas aba"o.
El proceso de convertir carga de presión en carga de velocidad es bastante efica4, de ahí que la p#rdida de carga de la sección +0 hasta la vena contracta +sección de mayor contracción en el chorro sea peque2a comparada con la p#rdida de la sección de la vena contracta hasta la sección +1, donde una carga de velocidad se vuelve a convertir en carga de presión. %or esto una estimación satisfactoria de la p#rdida total hL , puede establecerse considerando únicamente la p#rdida debida a la expansión de las líneas de corriente. (e la ecuación +1,
%ara la vena contracta, ac 5 &c a1 donde &c es el coeficiente de contracción. %or continuidad, ac 'c 5 a1 '1 A 'c 5 +a1 '1 ac )ustituyendo ac en la ecuación anterior 'c 5 +a1 '1 +&c a1 A 'c 5 '1 &c Entonces,
< dado que
resulta$
=
/n caso especial ocurre en el flu"o que entra a una tubería proveniente de un tanque. &omo la p#rdida de energía depende del valor del coeficiente de contracción &c, pueden hacerse varias modificaciones en la forma de la entrada al tubo para reducir las p#rdidas. %or e"emplo una entrada de boca campana reduce considerablemente el coeficiente de p#rdidas =. +figura B
Fig!a 9. Sa'i%a %$ na t&$!6a %$ n tan7$.
C!at!as; <''as; s$##i"n$s asi(/t!i#as; $t#. Es difícil desarrollar expresiones analíticas exactas para determinar la p#rdida de energía en codos, v!lvulas, etc. %or lo tanto la p#rdida de energía se expresa simplemente de la forma
(onde$ = 5 coeficiente de p#rdida ' 5 velocidad del flu"o en el tubo aguas aba"o del disturbio
4.-EQUIPO EMPLEADO
;anco Cidraulico DE 33, Equipo de %erdida de &argas Locales DE 3B, cronometro +no suministrado y probeta. EL BANCO HIDRÁULICO (FME 00)
Este sistema modular ha sido desarrollado para investigar experimentalmente los muchos y diferentes aspectos de la teoría hidr!ulica. La parte superior del ;anco incorpora un canal abierto con canales laterales que sirven de apoyo al accesorio que se est! ensayando. El tanque de medición volum#trica est! escalonado, permitiendo medir caudales altos o ba"os. /n deflector de amortiguación reduce la turbulencia y un vaso comunicante exterior con escala marcada ofrece una indicación instant!nea del nivel de agua. El suministro incluye un cilindro medidor para la medición de caudales muy peque2os. 6l abrir la v!lvula de vaciado el volumen de agua medido vuelve al depósito situado en la base del banco para su reciclado. /n rebosadero integrado en el tanque volum#trico evita derramamientos. El agua es traída desde el depósito por una bomba centrífuga, y una v!lvula de control en by9pass montada en el panel frontal regula el caudal. /n acoplamiento r!pido de tuberías f!cil de usar situado en la parte superior del banco permite cambiar r!pidamente de accesorio sin necesidad de utili4ar herramientas.
PÉRDIDAS DE CARGA LOCALES (FME 05)
DESCRIPCION
Este accesorio del ;anco de servicios comunes permite demostrar p#rdidas en diferentes curvas, contracción súbita, expansión súbita y una v!lvula de control típica. El equipo est! montado en un marco independiente que su"eta los tubos de prueba y la instrumentación. )e incorporan para su estudio los siguientes acoplamientos típicos$ codo de inglete, codo de 3F, curvas +radio grande y peque2o, contracción súbita y expansión súbita. Godos llevan instrumentación con puntos de muestreo de presión aguas arriba y aguas aba"o. Estos puntos est!n conectados a multimanómetro de 01 tubos de agua, montados en el marco. %ara controlar el caudal se utili4a una v!lvula de compuerta. Htra v!lvula de compuerta est! conectada a puntos de muestreo de presión aguas arriba y aguas aba"o, conectados a su ve4 a un indicador diferencial situado en el borde del marco. La unidad se coloca en la superficie de traba"o del ;anco de hidr!ulica, que tambi#n sirve como fuente del suministro de agua.
5.- INSTALACION DEL EQUIPO
)ituar el ;anco Cidraulico. &onectar el tubo de entrada con la boquilla de impulsion del ;anco, e introducir en el tanque volumetrico el extremo del tubo de salida situado aguas deba"o de la valvula de control. En el circuito hidraulico del equipo se hallan instalados en serie, para poderlos comparar rectamente, una sucesion de elementos singulares que provocan p#rdidas de cargas locali4adas en el lugar en donde se encuentran situados, a saber$ /n cambio gradual de direccion, en forma de codo largo. /n esnanchamiento brusco de seccion. /n estrechamiento brusco de seccion. /n cambio gradual de direccion, en forma de codo medio. /n cambio brusco de direccion, en forma de codo cortó+a 3F. /na valvula tipo compuerta. /n cambio brusco de direccion en forma de codo en inglete. El caudal que circula se regula con la valvula de control de salida. )e han establecido varias tomas de presion estatica, que se encuentran conectadas a los 01 tubos manometricos existentes en el panel. Estos tubos mano manometricos estan comunicados por su parte superior a un colector, que lleva en uno de los extremos los elementos necesarios para conectar una valvula antirretorno con enchufes rapidos. ediante una bomba manual de aire conectada a la valvula antirretorno, se puede presuri4ar el sistema con el ob"eto de medir diferencias de presiones cuando la presion estatica es elevada. &on la bomba m anual se puede a"ustar adecuadamente los niveles iniciales de los manometros para efectuar el ensayo, mediante la presuri4acion con aire a traves de dicha bomba. En caso de querer sacar aire de los tubos manometricos, habr! que desconectar el tubo de nylon del enchufe r!pido del colector, hasta que el agua se situe en el nivel deseado. Existe una pie4a estranguladora, destinada a interrumpir la circulacion por l os finos conductos de tomas de presion correspondientes a la codo en inglete, que debe utili4arse cuando se precise experimentar con la valvula de compuerta.
En la parte inferior del panel estan instalados 1 manómetros, con el ob"eto de leer las presiones de entrada y salida de la valvula de compuerta, lo que permitir! obtener las perdiadas de carga en dicha valvul!. 6.-PROCEDIMIENTO
ontar el aparato sobre el ;anco Cidraulico. &onectar el tubo de entrada del aprato a la impulsion del ;anco, y empalmar un conducto flexible a la salida de aquel, para que pueda desaguar en el tanque volumetrico. 6brir completamente la v!lvula de control de salida del aparato y la v!lvula de compuerta. %oner en marcha la bomba y abrir la v!lvula de control del suministro de ;anco para permitir que el agua circule por el interior del aparato evacuando todas las bolsas o burbu"as de aire que existan. 6 continuación, y una ve4 comprobado que el aire ha sido desalo"ado, cerrar la v!lvula de control de salida y desconectar, con cuidado, la v!lvula antirretorno hasta conseguir que los finos conductos de tomas de presión y los tubos manom#tricos del panel est#n llenos de agua. (urante el ensayo se pueden a"ustar a voluntad los niveles de los tubos manom#tricos, presuri4ando lentamente agua con ayuda de la bomba manual si se desea ba"arlos, retirando aire, a traves de la v!lvula antirretorno, si se quiere subirlo. 6brir ligeramente la v!lvula de control de salida. Gomar las lecturas indicadas en los tubos manom#tricos y determinar el caudal de agua, anotando todos esos valores. (e forma escalonada, en sucesivas atapas, a"ustar la v!lvula de control de salida en distintoss grado de apertura e ir anotando, como se ha indicado en el parrafo anterior, todas las lecturas correspondientes. &uando se halla alcan4ado la m!xima apertura de la v!lvula, repetir el proceso anterior actuando la v!lvula en sentido contrario hasta que #sta quede totalmente cerrada. /na ve4 llegado a #ste punto se proceder! a la segunda parte del ensayo con el fin de determinar el valor de la constante IkJ para la v!vula de compuerta.
/tili4ando la pin4a, estrangular los conductos de las tomas de presión que corresponden al codo en forma de inglete. 6brir al m!ximo posible la v!lvula de control de salida y abrir totalmente la v!lvula de compuerta. En sucesivas etapas, proceder al cierre de dicha v!lvula anotando las lecturas manom#tricas y determinando el caudal correspondiente a cada etapa. /na ve4 efectuadas varias medidas, repetir el proceso actuando sobre la v!lvula de compuerta ern sentido contrario hasta que, en varia etapas, se encuentre de nuevo totalmente abierta. 7.-DATOS CUADRO Nº01
ENSANC=AMIENTO (i!metro+m
3.303B
ESTREC=AMIENTO (i!metro+m
3.301N3
CODO LARGO (i!metro+m
3.301N3
CODO CORTO (i!metro+m
3.301N3
CODO >?º (i!metro+m
3.301N3
INGLETE Longitud+m
3.31BK3
h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a
KK
K0
>
>1
101
KK
K10
>1
>>K
10M
KK
K13
>0
>>1
10B
KK
K0B
>>
>1>
13N
KK
K0
>
>1
100
KK
K0M
>K
>11
13N
KKN
K0B
>>
>10
13>
KKM
K0>
>0
>0
133
KKB
K00
>N
>0K
0B
KK0
K3N
>N3
>3N
0K
K10
>MK
>0B
1>N
03K
K0N
>BB
>3B
11K
K
MB3 N.NK
K3 N.MN
M3 M.B>
B B.N>
>B K.>1
CUADRO Nº02
"'($n ti$(1"
o
+ml +s
5AL5ULA Presion1= 0.93 o Presion2= 0.82 o Volumen = 740 ml o Tiempo = 4.15 s o
7.-CALCULOS
3.>H> ENSANC=AMIENTO (i!metro
3.303B
ESTREC=AMIENTO (i!metro
3.301N3
CODO LARGO (i!metro
3.301N3
CODO CORTO (i!metro
3.301N3
CODO >?º (i!metro
3.301N3
INGLETE Longitud
3.31BK3
h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a h0 +mm.c.a h1 +mm.c.a
CAUDAL @(3s-? -44.999 -8H.?-8 -H3.8H
->3.4H
KK
K0
>
>1
101
KK
K10
>1
>>K
10M 3.3331B31
KK
K13
>0
>>1
10B
KK
K0B
>>
>1>
13N 3.33301MM
KK
K0
>
>1
100
KK
K0M
>K
>11
13N 3.33301MM
KKN
K0B
>>
>10
13> 3.33301MM
KKM
K0>
>0
>0
133
KKB
K00
>N
>0K
0B
KK0
K3N
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>3N
0K 3.33301MM
K10
>MK
>0B
1>N
03K
K0N
>BB
>3B
11K
3.33K 3.B0B3 3.30>BM 3.1K
3.33B 3.M31K 3.301 3.1MK>3
ENSANC=AMIENTO @( @(s 44g @( J
3.330 3.1KMK 3.33KK1 3.11M30
3.331 3.K1 3.33K1 3.1011K
J 1!"(. ESTREC=AMIENTO
AREA @(4
3.1>>MK
3.33K 3.MN0K 3.31>KK 3.0N3MB
K 3.333MKB0M
@( @(s 44g @( J
3.330 3.MM1K 3.311K3 3.3KKMK
3.33B 3.MNKM 3.3KNN0 3.03K0
J 1!"(.
3.33 0.0M3BK 3.3MMB 3.00MBK
3.33 0.>N3N 3.3BNN 3.3>N
3.33 0.B1B1 3.00MM 3.3MNK1
3.3BK
CODO LARGO @( @(s 44g @( J
3 3.MM1K 3.311K3 3.33333
93.33> 3.MNKM 3.3KNN0 3.3M1
J 1!"(.
93.33K 0.0M3BK 3.3MMB 3.3B1N
93.33M 0.>N3N 3.3BNN 3.3M1MB
93.33K 0.B1B1 3.00MM 3.3>>N0
3.3K>B3
CODO CORTO @( @(s 44g @( J
93.330 3.MM1K 3.311K3 3.3KKMK
93.331 3.MNKM 3.3KNN0 3.3K01
J 1!"(.
93.331 0.0M3BK 3.3MMB 3.310>
93.331 0.>N3N 3.3BNN 3.313
93.33> 0.B1B1 3.00MM 3.31B1
3.3>1>N
CODO >?º @( @(s 44g @( J
3.33K 3.MM1K 3.311K3 3.0NBN
3.33K 3.MNKM 3.3KNN0 3.3>B
J 1!"(.
3.33 0.0M3BK 3.3MMB 3.00MBK
3.33N 0.>N3N 3.3BNN 3.3N>3
3.300 0.B1B1 3.00MM 3.31N3
3.03B
INGLETE @( @(s 44g @( J
3.33K 3.0>30N 3.333M K.M>0>
3.33 3.0M 3.330K K.>KK
J 1!"(.
3.30 3.11NN 3.331MB >.NNKN
3.30> 3.1M0B 3.33>M >.B130
K.1>1N
3.31 3.1M3 3.33KBN K.>N0N
8.-CONCLUSIONES
El valor del Ensanchamiento calculado es ?.4338, valor que se aproxima al valor esperado cuyo valor es ?;3. El valor del Estrechamiento calculado es ?.?98, valor que se aproxima al valor esperado cuyo valor es ?;-. El valor del &odo Largo calculado es ?.?839?, valor que se aproxima al valor esperado cuyo valor es ?;?8. El valor del &odo &orto calculado es ?.?343H, valor que no se aproxima al valor esperado cuyo valor es ?;?>. El valor del &odo 3F calculado es ?.-?>9, valor que se aproxima al valor esperado cuyo valor es ?;--.
