Fuentes Puentes Miguel Ángel1, Méndez García Viviana Katherinn1, Torres Palacios Laura Melissa1, Pinzón Diana Mileidy1, Tapiero Yara Ingrid Paola1, Vargas Bojacá Angie Katherine1
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Departamento de Ciencias Básicas
Facultad de Ciencias Naturales e Ingenieria1
INFORME DE LABORATORIO DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN
RESUMEN
Esta práctica de laboratorio tiene como objetivo determinar la pérdida de carga por fricción de un fluido para cada una de las tuberías utilizadas. Las condiciones en las que se trabajó fueron a presión atmosférica y siendo el fluido agua a temperatura ambiente.
El sistema con el que se trabajó consiste en un arreglo de tuberías y diferentes accesorios. Las tuberías que se usaron fueron de Cobre de diámetro ______, y en cuanto a los accesorios se trabajó con, codos de 45°, codos en U, y válvulas de globo, además el arreglo también cuenta con un medidor de presión que a su vez cuenta con un manómetro de mercurio. Para obtener los mejores resultados se trabajó con 4 caudales diferentes: Q1 = 5.5 gal/min, Q2 = 3.61 gal/min, Q3 = 4.4 gal/min, Q4 = 5.1 gal/min.
Resultados y conclusiones_________________________________________
Palabras clave: Perdidas de fricción, tuberías, Reynolds, flujo laminar, flujo turbulento, accesorios.
Abstract
This lab is to determine the frictional pressure drop of a fluid to each of the pipes used. The conditions under which we worked were at atmospheric pressure and the fluid being water at room temperature.
The system with which we worked is a different arrangement of pipes and accessories. Piping used were cooper with diameter ______, and as for the accessories worked with, 45 ° elbows, U-bends, and globe valves, besides the arrangement also comprises a pressure gauge which in turn has a mercury manometer. For best results, we worked with 4 different flow rates: Q1 = 5.5 gal/min, Q2 = 3.61 gal/min, Q3 = 4.4 gal/min, Q4 = 5.1 gal/min.
Resultados y conclusiones_________________________________________
Key words: Friction losse, pipes, Reynolds, laminar flow, turbulent flow, accesories.
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de flujo de un fluido presentan ganancias de energías por bombas y pérdidas por fricción conforme el fluido que pasa por los ductos y tubos, pérdidas por cambios en el tamaño de la trayectoria de flujo y pérdidas de energía por las válvulas y accesorios.
Es común encontrar flujos internos en tubería y ductos por todos lados en esta sociedad industrializada. Desde el suministro de agua potable hasta el transporte de sustancias químicas y otros líquidos industriales, los ingenieros han diseñado y construido incontables kilómetros de sistemas de tuberías a escala relativamente grande.
La importancia de esta práctica de laboratorio radica en determinar las pérdidas de energía debido a la fricción que se produce entre las paredes de las tuberías y accesorios que conforman un sistema debido a que influyen directamente en los costos de operación. Las pérdidas por fricción son responsables de buena parte de los costos operacionales de cualquier industria, y de hecho resulta cotidiana la necesidad de conocer las pérdidas presentes en un sistema, por lo cual resulta de suma importancia que el Ingeniero Químico conozca los distintos factores que afectan la magnitud de tales pérdidas. Los estudios en pérdidas por fricción en tuberías son de suma importancia ya que son analizados en diversos sectores a nivel industrial, tales como minería, agrícola, petroquímica, polímeros, alimentos, etc [1].
MARCO TEÓRICO
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se somete a un esfuerzo cortante, sin importar qué tan pequeño sea este esfuerzo.
Las pérdidas por fricción se presentan porque al estar el fluido en movimiento habrá una resistencia que se opone a dicho movimiento (fricción al fluir), convirtiéndose parte de la energía del sistema en energía térmica (calor), que se disipa a través de las paredes de la tubería por la que circula el fluido. Las válvulas y accesorios se encargan de controlar la dirección o el flujo volumétrico del fluido generando turbulencia local en el fluido, esto ocasiona una pérdida de energía que se transforma en calor.
Las pérdidas y ganancias de energía en un sistema se contabilizan en términos de energía por unidad de peso del fluido que circula por él. Esto también se conoce como carga (h):
hA = Energía que se agrega al fluido con un dispositivo mecánico; es común que se le denomine carga total sobre la bomba.
hR = Energía que se remueve del fluido por medio de un dispositivo mecánico.
hL = Pérdidas de energía del sistema por la fricción en las tuberías, o pérdidas menores por válvulas y otros accesorios [2].
La magnitud de las pérdidas de energía que produce la fricción del fluido, las válvulas y accesorios, es directamente proporcional a la carga de velocidad del fluido. Esto se expresa en forma matemática así:
hL=K v22g
Donde el término K es el coeficiente de resistencia.
Ecuación general de le energía:
La ecuación general de la energía es una extensión de la ecuación de Bernoulli, lo que permite resolver problemas es los que hay pérdidas y ganancias de energía. Para un sistema, la expresión del principio de conservación de la energía es:
E'1+ hA-hR-hL= E'2
E'1 y E'2 denotan la energía que posee el fluido por unidad de peso en las secciones 1 y 2.
La energía que posee el fluido por unidad de peso es:
E'= pγ+ v22g+ z
Es esencial que la ecuación general de la energía se escriba en la dirección del flujo.
El comportamiento de un fluido, en lo que se refiere a las pérdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento. Un medio para predecir este comportamiento en el flujo es con el manejo del número adimensional Reynolds, demostrado por Osborne Reynolds. Esta ecuación de define como:
Re= v D ρη= v Dυ
Donde v es la velocidad, D es el diámetro de la tubería, ρ la densidad del fluido y η la viscosidad del fluido. Es de resaltar que υ es la viscosidad cinemática
Para aplicaciones prácticas se tiene que los flujos con Re <2000, se encuentran en estado laminar, y los Re>4000, están en régimen turbulento. Los 2000
Teniendo en cuenta la ecuación general de la energía, es de resaltar que el término hL es la pérdida de energía en el sistema. De forma matemática esta se expresa a través de la ecuación de Darcy:
hL=f* LD*v22g
Donde f es el factor de fricción, L la longitud de la corriente, D el diámetro de la tubería, v la velocidad promedio de flujo.
Este factor de fricción, f se evalúa dependiendo del régimen en el que se encuentre el fluido. Una vez se tenga certeza del régimen en el que se está, se aplica alguna de estas expresiones:
f= 64Re
Para flujo laminar y:
f= 0.25log13.7Dε+ 5.74Re0.92
Para flujo turbulento.
Los términosDε hacen referencia a la rugosidad relativa, donde ε es la rugosidad promedio de la pared del tubo.
Cabe resaltar que otro de los métodos indispensables para evaluar el factor de fricción es el Diagrama de Moody, el cual muestra la gráfica del factor de fricción versus el Re, con una serie de curvas paramétricas relacionadas con la rugosidad relativa (ver Anexo 1).
Es importante resaltar que las pérdidas por fricción también se dan por los accesorios que posean las tuberías, para esto se aplica la relación siguiente:
hL= Kf*v22g
Donde Kf es el factor de pérdida para el accesorio[2].
MATERIALES Y EQUIPOS
METODOLOGÍA
DATOS Y OBSERVACIONES
CÁLCULOS Y RESULTADOS
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
CONCLUSIONES
ANEXOS
Anexo 1. Diagrama de Moody (De L,.F, Moody, Trans ASME, vol 66, 1944.)
BIBLIOGRAFÍA
[1] Warren L. McCabe, Julian C. Smith. Operaciones básicas de ingeniería química, Volumen 1. Reverte, 1981
[2] Robert L. Mott. Mecánica de fluidos. Pearson Educación, 2006