LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS
2013 PERDIDAS DE CARGAS EN UNA TUBERIA Practica de Laboratorio
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25/06/2013
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PERDIDAS DE CARGAS EN UNA TUBERIA
INTRODUCCION
En este ensayo de laboratorio el problema a resolver específicamente es evaluar la perdida de energía que ocasiona un fluido ya sea laminar o turbulento (por la viscosidad) al pasar a través de un tubo que sufre una disminución del área transversal en todo su recorrido. El análisis del comportamiento que presentará el fluido puede ser calculado; con errores muy insignificantes. Las pérdidas de carga a lo largo de un conducto de cualquier sección pueden ser locales o de fricción, su evaluación es importante para el manejo de la línea de energía cuya gradiente permite reconocer el flujo en sus regímenes: laminar, transicional o turbulento, dependiendo de su viscosidad. Cuando el fluido es más viscoso habrá mayor resistencia al desplazamiento y por ende mayor fricción con las paredes del conducto, originándose mayores pérdidas de carga; mientras que, si la rugosidad de las paredes es mayor o menor habrá mayores o menores pérdidas de carga. Esta correspondencia de rugosidad-viscosidad ha sido observada por muchos investigadores, dando a la correspondencia entre los números de Reynolds (Re), los parámetros de los valores de altura de rugosidad “k” y los coeficientes de fricción “f”
que determinan la calidad de la tubería.
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PERDIDAS DE CARGAS LOCALES EN UNA TUBERIA
1. OBJETIVOS
Estudiar las pérdidas de cargas debido a los accesorios que se instalan en un tramo de la tubería, como codos, ensanchamiento, contracción venturímetro, válvula, etc.
Estudiar en forma detallada las pérdidas de carga lineal en conductos circulares, teniendo una gran variedad de curvas que relacionan los coeficientes de pérdidas “f” en función del número de Reynolds, apoyándonos
en el grafico de Moody.
Conocer métodos prácticos para determinar las pérdidas localizadas.
Determinar la variación de la pérdida de carga con el caudal.
Estudiar y sintetizar los datos obtenidos en el ensayo de laboratorio con los datos que obtenemos apoyándonos en referencias bibliográficas, libros que usualmente utilizamos para estos ensayos.
2. HIPOTESIS
Comprobar que con el paso de un flujo por los accesorios existirá una pérdida de carga local-
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3. MARCO TEORICO
PÉRDIDA DE CARGAS LOCALES Los fluidos en movimiento o flujo interno forman parte básica para la producción de servicios dentro de las actividades industriales, residenciales y comerciales. La aplicación de la Ecuación de Bernoulli para fluidos reales, entre 2 secciones de un mismo tramo de tubería es:
Donde:
Donde:
hfp = es la sumatoria de perdidas primarias o longitudinales.
hfs = Perdidas secundarias o, locales por accesorios.
Al hablar de perdidas en tuberías, lleva a estudiar los flujos internos que sean completamente limitados por superficies sólidas con un grado de rugosidad según el material del cual están fabricadas. Este flujo es muy importante de analizar ya que permitirá diseñar las redes de tuberías y sus accesorios más óptimos. Las pérdidas de energía que sufre una corriente cuando circula a través de un circuito hidráulico se deben fundamentalmente a:
Variaciones de energía potencial del fluido. Variaciones de energía cinética. Rozamiento o fricción.
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PERDIDAS DE CARGAS EN UNA TUBERIA 4. PERDIDAS PRIMARIAS :
Llamadas perdidas longitudinales o pérdidas por fricción, son ocasionadas por la fricción del fluido sobre las paredes del ducto y se manifiestan con una caída de presión. Empíricamente se evalúa con la formula de DARCY - WEISBACH:
Donde: o
L = longitud de la tubería.
o
D = Diámetro de la tubería.
o
V = velocidad media del flujo.
o
f = factor de fricción de la tubería.
De donde el factor de fricción de la tubería depende del Número de Reynolds ( Re ) y de la rugosidad relativa ( ε / D ) . Para esto se hace uso del Diagrama de Moody. Básicamente las Pérdidas primarias son directamente proporcionales a la longitud de la tubería.
PERDIDAS SECUNDARIAS:
También conocidas como perdidas locales o puntuales, las cuales son originadas por una infinidad de accesorios que se ubican dentro de un sistema de tuberías, como por ejemplo : Válvulas. Codos. Niples. Reducciones. Ensanchamientos. Uniones universales. Etc.
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La expresión para evaluar las perdidas secundarias ( en metros de columna del fluido) es la siguiente :
Donde K es la constante para cada accesorio y depende del tipo de accesorio, material y diámetro. Luego la longitud equivalente será :
La longitud equivalente se puede hallar en manuales y libros. En el equipo FME-05 de pérdidas de carga local estudia las pérdidas de energía cinética de un fluido que circula por una tubería. Estas se deben principalmente a variaciones bruscas de velocidad causadas por:
Cambios bruscos de sección.
Perturbación del flujo normal de la corriente, debido a cambios de dirección provocadas por la existencia de un codo , curva , etc.
Rozamiento o fricción.
Las pérdidas de carga que sufre un fluido al atravesar todos los elementos expresada en metros del fluido , puede calcularse con la siguiente expresión :
Donde: K = coeficiente de pérdidas de carga. V= velocidad del fluido. ∆h = diferencia de altura manométrica. g= gravedad. ENSANCHAMIENTO SUBITO:
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Al fluir un fluido de un conducto de menor a uno mayor a través de una dilatación súbita, su velocidad disminuye abruptamente, ocasionando una turbulencia que genera una pérdida de energía. La cantidad de turbulencia, y por consiguiente, la cantidad de pérdida de energía, depende del cociente de los tamaños de los dos conductos. La perdida menor se calcula de la ecuación:
Donde v1 es la velocidad de flujo promedio en el conducto menor que está delante de la dilatación. Al hacer ciertas suposiciones de simplificación respecto del carácter de la corriente de flujo al expandirse a través de una dilatación súbita, es posible predecir analíticamente el valor de k a partir de la siguiente ecuación:
* + = [ ]
FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall ENSANCHAMIENTO GRADUAL:
Si la transición de un conducto menor a uno mayor puede hacerse menos abrupta que la dilatación súbita de bordes cuadrados, la perdida de energía se reduce. Esto normalmente se hace colocando una sección cónica entre los dos conductos, como se muestra en la siguiente figura. Las paredes en pendiente del cono tienden a guiar el fluido la desaceleración y expansión de la corriente de flujo.
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FUENTE : Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall
La pérdida de energía para una dilatación gradual se calcula a partir de:
Donde v1 es la velocidad del conducto menor que está delante de la dilatación. La magnitud de K depende tanto de la proporción de diámetro D2 / D1 como del ángulo de cono, θ y D2 / D1.
Ver en el Texto: King, H.W y E.F. Brater, 1963 Handbook of Hydraulics, 5º ed. Nueva York: McGraw-Hill la TABLA DE COEFICIENTE DE RESISTENCIA CONTRACCION SUBITA:
La pérdida de energía debido a una contracción súbita, como la esbozada en la figura se calcula a partir de:
Donde v2 es la velocidad en la corriente hacia abajo del conducto menor a partir de la contracción. El coeficiente de resistencia K depende de la proporción de los tamaños de los dos conductos y de la velocidad de flujo, como se muestra en la figura.
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FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall
CONTRACCION GRADUAL:
La pérdida de energía en una contracción puede disminuirse sustancialmente haciendo la contracción más gradual. La figura muestra una contracción de este tipo, formada mediante una sección cónica entre los dos diámetros con cambios abruptos en las junturas. El ángulo Ѳ se denomina ángulo de cono.
FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall
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PERDIDAS DE CARGAS EN UNA TUBERIA COEFICIENTE DE RESISTENCIA PARA JUNTAS Y VALVULAS :
Se dispone de muchos tipos diferentes de válvulas y juntura de varios fabricantes para especificaciones e instalación en sistemas de flujo de fluido. Las válvulas se utilizan para controlar la cantidad de flujo y pueden ser válvulas de globo, de ángulo, de mariposa, otros varios tipos de válvula de verificación y mucha más. El método para determinar el coeficiente de resistencia k es diferente. El valor de k se reporta en la forma:
()
PÉRDIDAS DE CARGA EN ENSANCHAMIENTOS Y CODOS
Cualquier modificación en la forma geométrica de un conducto produce una pérdida de carga de carácter local cuando un fluido pasa a su través. Estas pérdidas de carga se denominan singulares. Este tipo de pérdidas singulares se producen, por ejemplo, en los casos del aumento de sección y del cambio de dirección (un codo). En el caso del ensanchamiento, estas pérdidas de carga son debidas a que el flujo se adapta a la nueva sección mediante una sucesión de remolinos, con lo que el exceso de energía cinética que hay en la sección 1 respecto a la que correspondería a la nueva sección 2, se disipa por la acción de la turbulencia. Es una situación equivalente a la de la zona posterior de la placa orificio (apartado anterior). En el caso de un codo brusco, la distribución transversal de velocidad deja de ser axis métrica (aumenta la velocidad en la zona del conducto más próxima al centro de curvatura), y nuevamente se produce una disipación de energía por remolinos turbulentos.
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Las pérdidas de carga secundarias, producidas en zonas localizadas de los conductos, se expresan en forma a dimensional por el denominado coeficiente de pérdidas, K.
PÉRDIDAS PARA VÁLVULAS Y CODOS.
Al igual que en los demás accesorios en estos se presentan perdidas de carga dependiendo en el caso de los codos si son codos cortos o los codos largos.
El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una perdida de energía, que suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga. En el caso de tuberías horizontales, la perdida de carga se manifiesta como una disminución de presión en el sentido del flujo. La pérdida de carga está relacionada con otras variables fluido dinámicas según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento. Además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de los conductos), también se producen perdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, válvulas, etc. Factor de Fricción en régimen turbulento El régimen turbulento completamente desarrollado, Reynolds (Re) > 4000, ofrece una mayor dificultad para analizar el factor de fricción (f), ya que el esfuerzo cortante no tiene una expresión sencilla. Existen dos formas límites: Si la tubería es lisa, f es únicamente función del Re, y no depende de la rugosidad de la tubería. Si el flujo es altamente turbulento, Re muy altos, f depende únicamente de la rugosidad relativa de la tubería, siendo independiente del Re del fluido entre ambos casos, se deberá buscar una expresión que nos proporcione el valor de f.
4.EQUIPO Y HERRAMIENTAS
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AGUA
TUBO DE ENSAYO GRADUADO
MAQUINA EDIBON
CRONOMETRO
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BAROMETRO
5. PROCEDIMIENTO
Se comenzó con la Calibración del equipo de pérdidas de cargas por fricción, que consistía en que los manómetros de agua estuvieran a un mismo nivel en un rango de 70 a 80mm de altura, para que a partir de ahí se tomen las medidas de las diferencias de presión entre un punto y otro de cada accesorio. Poner en funcionamiento el banco hidráulico, adicionándolo a este el equipo de pérdidas de carga locales. Con las válvulas de paso abiertas, se van cerrando lentamente y se toman los respectivos volúmenes en un tiempo determinado, para el cálculo del caudal (Q). A medida que se iba haciendo las pruebas a diferentes aberturas de la válvula, se iba tomando nota la diferencia de presión marcadas por los manómetros de agua para cada uno de los accesorios. Se realizaron 7 pruebas, para diferentes aberturas de la válvula. Cabe mencionar que se tomaron caudales diferentes, para determinar las pérdidas de cargas en las válvulas, y que las presiones de estas se observaban en los barómetros de bourdon. Durante el desarrollo de la práctica se tomó la temperatura del agua, ya que nos sirvió para determinar la viscosidad a la que esta se encontraba, ya que esta varía con la temperatura.
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6. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION
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1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Se puede deducir que la mayor pérdida de carga en accesorios se da en las válvulas y la menor perdida de carga se da en los ensanchamientos de las tuberías.
El cálculo de km y la pérdida de carga se puede obtener mediante las formulas obtenidas en cada grafico que esta anteriormente.
De acuerdo a los procedimientos podemos deducir que los datos obtenidos si están en concordancia con los datos que nos brindan los libros o textos.
Que el experimento o laboratorio hecho nos permite tener un concepto más claro y aplicativo de cómo encontrar las perdida de carga en accesorios y además tener en cuenta que cuando nosotros diseñemos tuberías es importante considerar estas pérdidas ya que cuando mayor accesorios allá en el tramo de una tubería mayor será su pedida local es por ello que hay que analizar distintos factores, ya sea topografía del terreno, el tipo de tubería ya sea pvc fierro galvanizado y además tener en cuenta que tenemos que considerar siempre un margen de error en ellas.
Podemos decir que todos estos ensayos va a contribuir en nuestra vida profesional ya que estaremos bien capacitados y podemos diseñar con gran criterio todo tipo de tuberías y tener éxito en nuestra vida profesional.
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ANEXO
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MUCHACHOS EL TRABAJO QUE TENGO ES DE RESALTO HIDRAULICO Y NO HAY PERIDAS DE CARGA EN TUBERIAS PERO AQUÍ LES ENVIO ALGO QUE ESTAVA AVANZANDO HAY COSAS QUE MEJORARLO DE TODAS MANERA
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