Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Fricción de fluido en tuberías lisas y rugosas – perdida perdida de cabezal por accesorios de tubería 18 de agosto de 2018-2s Kenin Xavier Merchán Mora Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (Espol) Guayaquil-Ecuador
[email protected] Resumen Esta práctica consistió en observar la relación entre la velocidad de flujo y la perdida de cabezal por la fricción que se genera con la tubería, esto esto se realizó por medio de la experimentación experimentación con ayuda del banco hidráulico y del Aparato de Fricción de Fluido Armfield C6-MKII-10 con el cuál nos daban el caudal, y la perdida de cabezal en metros, con esto se sacaba la velocidad del fluido, el numero de Reynolds y la perdida de cabezal calculado, además del factor de accesorio (K). Se realizó un grafico en donde se puede observar como hasta un punto el caudal y el factor de perdida por accesorio son directamente directamente proporcional, proporcional, pero al llegar un punto se mantiene casi constante, constante, esto quiere decir que la perdida por accesorio accesorio no va a seguir aumentando.
Palabras claves: cabezal, accesorio, velocidad de fluido. Procedimiento Primero, se llenó con agua el banco Hidráulico hasta que su nivel estuvo apenas por debajo del del fondo del tanque volumétrico volumétrico y se colocó al lado del aparato de Fricción de Fluidos (AFF) de tal forma que el tubo de salida (23) apuntaba hacia la bandeja deflectora. Luego se conectó la manguera de suministro del BH al conector dentado de alimentación en el AFF. Después, se aseguró que las válvulas de compuerta y esférica (20 y 21) del AFF estuvieran cerrada y abierta respectivamente. Luego, se encendió la bomba del BH y se abrió su válvula hasta obtener un caudal medio. Después, se expulsó el aire presente en el flujo de agua abriendo y cerrando las válvulas de aislamiento del AFF, una a la vez. Luego, se conectó la alimentación de energía del Accesorio de Registro de Datos Armfield C6-50 (ARD) usando el adaptador proporcionado, después se conectó el cable del sensor de caudal y los sensores de presión a las tomas respectivas cuyo diferencial de cabezal se deseaba medir, también se conectó el cable USB al ARD y a la computadora asignada. Mientras tanto, en la computadora, se abrió el programa de adquisición de datos (C6-MKII-Fluid
Friction Apparatus), luego, se escogió y cargó el experimento a realizar. Para el experimento A: Con el agua que estaba fluyendo a través del AFF, se abrió solo la válvula de aislamiento correspondiente a la tubería lisa a estudiar. Luego, se conectó los sensores de presión en las tomas de la tubería correspondiente separadas a un metro de distancia. Con la ayuda de un sensor de temperatura se midió la temperatura del agua en el tanque volumétrico del BH, se ingresó ese valor en el cuadro de Temp de Water Properties, el valor de la viscosidad se iba actualizando de forma acorde. Después, se ingresó el diámetro correspondiente en mm de la tubería que se estudió en el cuadro Diameter de la sección Test Pipe. Además, se dejó las opciones seleccionadas por defecto de medición de flujo volumétrico y cabezal. Previamente se determinó el valor máximo alcanzado de flujo volumétrico, lo cual se realizó abriendo completamente la válvula reguladora del BH. Con la ayuda de la válvula reguladora en el BH, ir variando el flujo volumétrico, desde el mínimo al máximo en los incrementos establecidos, luego, se observó que las lecturas tanto de caudal como de pérdida de cabezal se
estabilizaran, para tomar los datos se dio click en el ícono de Go. Para el experimento B: Se accedió a la interfaz principal con View Diagram, se seleccionó el accesorio con el cual se trabajo de la lista Fitting Type. De forma similar al experimento anterior se abrió o cerró las válvulas para que solo existiera flujo de agua en el accesorio que se estudió, después se conectó los sensores de presión en las tomas antes y después del accesorio. Como las tomas estaban a diferente altura, se midió esa distancia vertical y se la ingresó en la casilla de elevación. En los accesorios que no sean válvulas tomar lecturas a diferentes caudales. En el caso de las válvulas, se dejó la válvula reguladora del BH a una cierta posición y se obtuvo un caudal medio y se pasó a tomar lecturas para diferentes posiciones del vástago de la válvula.
Tabla de datos Experimento A Perdida de cabezal medido h [mH2O] 0.02
Tasa de flujo [m3/s]
Tabla de resultados Experimento A En anexos. Experimento B En anexos.
Cálculos representativos Experimento A Para realizar los cálculos demostrativos se usó los primeros datos Q=0.00011 m3/s y h=-0.23 m.
=
4
4(0.00011)
= 0.473419 (0.0172)
0.00011 0.00021
0.10
0.00030
0.17
0.00039
0.27
0.00050
0.31
0.00059
0.50
0.00071
0.70
0.00082
0.82
0.00090
= =
999 ∗ 0.0172 ∗ 0.469 1.15 x 10 − 3 ℎ=
ℎ=
= 7013.97
2
0.03290 ∗ 1 ∗ 0.469
2 ∗ 9.8 ∗ 0.0172
= 0.0215
0.001
Experimento B Tasa de flujo [m3/s] 0.00011 0.00020 0.00031 0.00031 0.00039 0.00050
0.01 0.10 0.18 0.29 0.26 0.26 0.37
=
0.06
0.93 Tabla 1
0.00061 0.00070 0.00080 0.00091 0.00090 0.00094 0.001 Tabla 2
Experimento B Perdida de cabezal medido h [mH2O] -0.23 -0.11 -0.08 -0.09 -0.04 -0.01
Para realizar los cálculos demostrativos se usó los primeros datos Q=0.00011 m3/s y h=-0.23 m.
= =
4
4(0.00011)
= 0.473419 (0.0172)
ℎ =
ℎ =
0.473419 2 ∗ 9.8 =
=
−0.23 0.011435
2 = 0.011435 ℎ ℎ
= −20.113686
Gráfico K vs Q En anexos
Conclusiones
Se concluye que los valores experimentales de perdida de cabezal por la fricción del fluido (agua) son muy cercanos a los valores teóricos encontrados por medio de la ecuación de Darcy. Se concluye que los accesorios usados normalmente en tubería aumentan la perdida de cabezal, esto se visualiza al momento de comparar los datos tomados de la tubería lisa con y sin accesorio. Se concluye que el caudal es directamente proporcional al factor de perdida de cabezal por accesorio hasta cierto valor, luego, se mantiene casi constante, lo cual quiere decir que al momento de aumentar el caudal llega un punto donde la perdida ya no sigue aumentando.
Referencias bibliográficas
Cengel, Y., 2006. Mecanica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. Ciudad de Mexico: McGRAWHILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. White, f., 2009. Mecanica de fluidos. Ciudad de Mexico : McGRAWHILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A.
Anexos Pérdida de cabezal medido h
TASA DE FLUJO Q (m3/s)
Diámetr o (m)
Número de Reynolds Re
Velocida d u (m/s)
f (Diagram a de Moody)
0.02
0.0001090723
0.0172
7013.965961
0.469
0.03290
Pérdida de cabezal Calculad o 0.0215
0.06
0.0002074512
0.0172
13340.2882
0.893
0.02730
0.0646
0.10
0.0002951367
0.0172
18978.96672
1.270
0.02480
0.1187
0.17
0.0003935156
0.0172
25305.28896
1.694
0.02310
0.1965
0.27
0.0005036572
0.0172
32388.01929
2.168
0.02190
0.3052
0.31
0.0005913428
0.0172
38026.69781
2.545
0.02100
0.4035
0.50
0.0007111084
0.0172
45728.30749
3.060
0.02020
0.5612
0.70
0.0008212500
0.0172
52811.03782
3.535
0.01960
0.7263
0.82
0.0008971729
0.0172
57693.30825
3.861
0.01900
0.8403
0.93
0.0009955518
0.0172
64019.63049
4.285
0.01850
1.0074
Tabla 3 Tasa de flujo [m3/s]
Diámetro de tubería d [m]
0.00011 0.00020 0.00031 0.00031 0.00039 0.00050 0.00061 0.00070 0.00080 0.00091 0.00090 0.00094 0.001 Tabla 4
Velocidad u [m/s]
Cabezal de velocidad hv [mH2O]
Factor de accesorio K
0.01720
Perdida de cabezal medido h [mH2O] -0.23
0.473419
0.011435
0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720 0.01720
-0.11 -0.08 -0.09 -0.04 -0.01 0.01 0.10 0.18 0.29 0.26 0.26 0.37
0.860762 1.3341815 1.3341815 1.678486 2.151406 2.625325 3.012668 3.443049 3.916468 3.87343 4.045583 4.3028
0.0378 0.0908 0.0908 0.1437 0.2362 0.35165 0.46307 0.604826 0.782589 0.76549 0.83504 0.94509
20.113686 -2.91005 -0.8811 -0.99119 -0.2784 -0.04234 0.028437 0.21595 0.29761 0.37056 0.339656 0.31136 0.391497
k vs Q 5 0 ] 0 l a n -5 o i s n e -10 m i d a -15 [ K
0.0002
0.0004
0.0006
-20 -25
Grafico 1
Q [m3/s]
0.0008
0.001
0.0012
