Laboratorio de Mecánica de Fluidos I
FRICCIÓN DE FLUIDO EN TUBERÍAS TUBERÍAS LISAS Y RUGOSAS “ A) FRICCIÓN B) PÉRDIDA DE CABEZAL CABEZAL POR ACCESORIOS DE DE TUBERÍA” 17-Agosto-2017, I Término 2017-2018 Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
Resumen La práctica se llevó a cabo el día 17/082017 a las 3:30pm en el laboratorio de termo fluidos, dirigida por el Ing. Jose Pilataxi. Pilataxi. La práctica dio inicio con la l a breve explicación de pérdidas en tuberías, ya sean estos resultados de la fricción o por perdidas en los accesorios. Para la práctica se llevaron a cabo 3 partes: 1. experimentación en pérdidas en cabezal por fricción de una tubería lisa. 2. experimentación en pérdidas en cabezal por p or válvula gate. 3. experimentación en pérdidas por codo. Todas las partes de la práctica fueron ejecutadas de manera similar ya que se trabajó con el mismo equipo descrito en la sección ¨equipos, instrumentación y procedimiento¨. Para dar comienzo de esta práctica se preparó el equipo equip o a usar, y para ello se colocó los sensores de presión en los correspondientes lugares a examinar (es decir se colocó un sensor a la entrada de la tubería o accesorio, y un sensor al final de la tubería o accesorio), se encendió la bomba de agua que alimenta al equipo y se conectó los cables USB del equipo a la computadora la cual está trabajando con el software proporcionado por el fabricante del equipo. Una vez listo el equipo se procedió a la toma de datos, lo cual se esperaba que el software registrara todos los cambios. Pero se encontró con el inconveniente que la maquina no registraba flujos másicos menores a 0.4 con lo que se optó por medir el tiempo manualmente es decir con un cronometro y registrarlo en la computadora, p ero con los valores mayores a 0.4 ya no fue necesario este proceso manual, ya que la maquina si los lograba realizar. Se registraron 10 datos para cada parte de la práctica, los datos fueron obtenidos en Excel y una imagen de los resultados del software se muestra en anexos, secciónD.
Palabras claves: cabezal de flujo, fricción f ricción en tuberías, perdida de energía cinética, tuberías lisas
Abstract
The practice was held on 08/172017 at 3:30 pm in the laboratory of thermofluids, directed by Engineer Jose Pilataxi. The practice began with the brief explanation of losses in pipes, whether these results of friction or losses in fittings. For the practice were carried out 3 parts: 1. Experimentation on head losses by friction of a smooth pipe. 2. Experiment on head losses by gate valve. 3. Experimentation on losses by elbow. All parts of the practice were executed in a similar way since they worked with the same equipment described in the section "equipment, instrumentation and procedure". In order to begin this practice, the equipment was prepared and the pressure sensors were placed in the corresponding places to be examined (ie a sensor was placed at the entrance of the pipe or fitting and a sensor at the end of pipe, or accessory), the water pump that powers the equipment was turned on, and the computer's USB cables were connected to the computer which is working with the software provided by the equipment manufacturer. Once the equipment was ready, the data was taken, which was expected to record all the changes, but found the inconvenience that the machine did not register mass flows less than 0.4, so it was decided to measure the time manually ie with a stopwatch and register it on the computer. With values greater than 0.4, this manual process was not necessary since the machine could perform them. We recorded 10 data for each part of the practice, the data were obtained in Excel and an image of the software results is shown in adjunct, sectionD.
Keywords: flow head, friction in pipe, kinetic energy loss, smooth pipes
Introducción
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. Estas últimas pérdidas son consideradas perdidas menores ya que en un sistema grande las pérdidas por fricción en las tuberías son mayores en comparación a la de las válvulas y accesorios. 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
ʋ
hL = ∗ ∗
Donde: v: velocidad característica del fluido D: diámetro de la tubería de la cual circula el fluido g: gravedad f: factor de fricción L: longitud de la corriente
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 = ∗
ʋ
Donde: v: velocidad característica del fluido : Factor de perdida para el accesorio g: gravedad
Número de Reynols El número de Reynolds se puede definir como la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas presentes en un fluido. Éste relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande). Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de Reynolds viene dado por:
=
Donde: ρ:Densidad del fluido
vs: velocidad característica del fluido D: diámetro de la tubería de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema. µ: viscosidad dinámica del fluido
Diagrama de Moody: El diagrama de Moody (1944), permite determinar el valor del factor de fricción f a
partir de Re y K/D de forma directa. Es una representación log-log de factor de fricción f frente al Nº de Re, tomando como parámetro K/D. Se distinguen cinco zonas, correspondientes a los distintos regímenes hidráulicos, correspondiendo al coeficiente de fricción f valores diferentes en cada caso. (el diagrama de Moody está en anexos sección D) Equipos, Instrumentación y Procedimiento Equipo: Aparato de fricción de fluido Modelo: C6-MKII-10 Marca: ARMFIELD
Un esquema del banco de pruebas se encuentra en la sección anexo A Para realizar la práctica se debe seguir los siguientes pasos: Preparar el banco de pruebas con los datos iniciales mostrados en la sección anexo B 1. Conecte los sensores de presión al inicio de la tubería o accesorio a examinar y otro sensor al finalizar la tubería o accesorio. 2. Encienda la bomba de agua del equipo y manipule la llave de paso de agua para obtener el caudal deseado. 3. Revise que el caudal deseado se muestre en la pantalla de la computadora conectada al aparato de fricción por medio de cables USB 4. Una vez que visualice el caudal deseado ponga a correr el programa y obtenga el primer dato 5. Repita estos pasos hasta que realice la toma de diez datos 6. Repita el proceso hasta el paso 5 para el codo de 90 grados, la válvula gate y para la tubería lisa Resultados
Las tablas de datos se encuentran en Anexos B. El procesamiento de los datos se encuentra en Anexos C. Y las tablas de resultados se encuentran en Anexos C. Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones Analisis1
Se logra observar en el grafico h vs u que la gráfica guarda una relación lineal la cual equivale a un flujo laminar y que luego pasa a un flujo turbulento cuando la recta cambia a una trayectoria exponencial. Analisis2
En la gráfica de coeficiente de fricción Vs número de Reynolds nos damos cuenta que el valor del coeficiente de fricción se mantiene constante. A pesar que el número de Reynolds varié. Analisis3
Se puede observar que la cura de factor k Vs porcentaje de apertura va aumentando su valor de k mientras disminuye el porcentaje de apertura; pero muestra unos intervalos de saltos con mura relación; es decir no hay saltos demasiados bruscos. Conclusion1
Se puede concluir que todo flujo laminar está limitado graficaficamente por la línea recta presentado en la gráfica 3, además de una sección exponencial, la cual pertenece a un flujo turbulento; peor entre las fronteras de estas líneas se encuentra un segmento de la gráfica la cual muestra irregularidades y se la denomina transición Conclusion2
Se puede concluir que a mayor velocidad existe mayor pérdida de cabezal o de carga y esto es debido a que las láminas de flujo que colindan con la paredes, pierden velocidad y adquieren la velocidad de las paredes, lo cual hace ralentizar el fluido en esas secciones, y como el fluido va aumentando su velocidad hace que se distancien las láminas que colidan con las paredes y las láminas que se encuentran en el centro de la tubería
Recomendaciones
Si el aparato de fricción de fluido no puede registrar con exactitud caudales pequeños; se recomienda que se lo realice manualmente; es decir, llenar un volumen determinado, llevando control del tiempo empleado para llenar dicho volumen y esos datos ingresar en el programa. Se recomienda expulsar toda burbuja de aire que se encuentre en los ductos de los sensores; Para ello se abren y cierran las válvulas de aislamiento del Aparato de Fricción de Fluidos, una a la vez; con esto la burbuja se desplazara hasta la salida del ducto.
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información Manual del Banco de Pruebas de Propiedades de Fluidos e Hidrostática F 9092. ESPOL, (2017) Guía de laboratorio de Mecánica de Fluidos I, Práctica: Fricción de fluido en tuberías lisas y rugosas; y perdida de cabezal por accesorio de tubería, Ecuador: FIMCP.
White, Frank M. (2004) Mecánica de Fluidos-versión en español. 5ta edición. McGraw-Hill.
Mott, Robert L. (2006) Mecánica de Fluidos. 6ta edición. México: Pearson educación.
Anexo A-Equipo
Anexo B-Tablas de Datos
Tabla 1/datos iniciales Longitud de la tubería Temperatura del agua Diámetro interno de la tubería Diámetro externo de la tubería Densidad del agua Viscosidad
1m 26.9 ℃ 0.0172 m 0.0191 m 999 kg/m3 0,00115 kg/m s
Tabla 2/datos en bruto de tunerí a lisa Tasa de Diámetro flujo Q de [m3/s] tubería d [m] 0,00012 0,00019 0,00022 0,00041 0,00051 0,00059 0,00080 0,00090 0,00100
0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172
Tabla 3/datos en bruto de accesorio codo a 90 grados-corto Tasa de Diámetro flujo Q de 3 [m /s] tubería d [m] 0,20 0,20 0,32 0,39 0,54 0,53 0,59 0,70 0,79 0,90
0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172
Tabla 4/datos en bruto de accesori o válvula gate Tasa de Diámetro Posición de flujo Q de valvula 3 [m /s] tubería d [m]
1,13 1,13 1,13 1,13 1,13 1,10 1,11 1,10 1,05 1,04
0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172 0,0172
100 90 80 70 60 50 50 50 50 40
Anexo C- Procesamientos de datos y tablas de resultados
CÁLCULOS: Velocidad: =
=
4
4( 0,00012)
(0,0172)
= 0,5165 [m/s]
Así con todos los datos de tasa de flujo de la tabla2
Numero de Reynolds: =
=
999(0,5165)(0,0171) 0,00115
= 7672,5
Así con todos los valores de velocidad
Tabla 5/resultados de tubería lisa Velocidad u Numero de [m/s] reynolds Re 0,266 0,414 0,468 0,872 1,107 1,273 1,719 1,931 2,142
(obtenido
de un diagrama de Moody)
3969,48 6183,22 6989,73 13030,82 16537,79 19013,30 25683,43 28846,59 32009,74
Perdida de cabezal calculado hc [mH2O]
0,062 0,062 0,061 0,06 0,059 0,059 0,058 0,058 0,058
0,0000000 0,03149524 0,03959808 0,13536859 0,21440277 0,28339391 0,50834368 0,64126886 0,78961536
Grafica 1/perdida de cabezal Vs velocidad
h vs u 0,900
] h [ 0,800 ] m0,700 [ o 0,600 d i d 0,500 e m l 0,400 a z e 0,300 b a c 0,200 e d 0,100 a d i 0,000 d r e -0,1000,000 P
-0,200
y = 0,413x - 0,1776 R² = 0,9639
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
Velocidad [u] [m/s]
Grafica 2/perdida de cabezal Vs velocidad (grafica logarítmica)
Log (h) vs log u) 0,100 l a ) z ] e m b [ a c h e ( d g o a l ( d i ) o d r d e i P d ( e g m o L
1,000 1,000 y = 0,1447x2 + 0,0697x - 0,0354 0,100 R² = 0,9934
0,010
0,001
Log(velocidad) log (u [m/s])
10,000
Perdida de cabezal Medido h [mH2O] 0,000 0,011 0,034 0,114 0,227 0,295 0,545 0,590 0,795
Grafica 3/número de Reynolds Vs coeficiente de fricción
Nº de reynolds vs coeficiente de fricción 0,063 ) f ( 0,062 n ó i c 0,061 c i r F e d 0,06 e t n e i 0,059 c i f e o 0,058 C
y = -1E-07x + 0,0621 R² = 0,8913
0,057 0,00
5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00 35000,00
Nº de Reynolds
Grafica 4/número de Reynolds Vs coeficiente de fricción (grafi ca logarí tmica)
Log (Nº de reynolds) vs Log (coeficiente de fricción) 1 ) F ( 1600,00 g o l ) n ó i c c i r F e 0,1 d e t n e i c i f e o C ( g 0,01 o L
16000,00 y = 0,0873x-0,04 R² = 0,97
lOG (Nº de Reynolds)
Tabla 6/resultados de pérdidas por codo Cabezal de Factor de accesorio velocidad hv K [mH2O] 0,0392 0,0392 0,0946 0,1463 0,2723 0,2605 0,3305 0,4636 0,5870 0,7607
Perdida de cabezal Medido h [mH2O]
2,1684 2,4580 1,0952 0,8542 0,6456 0,5877 0,6007 0,5751 0,5316 0,4848
-0,0850 -0,0964 -0,1036 -0,1250 -0,1758 -0,1531 -0,1985 -0,2666 -0,3121 -0,3688
Tabla 7/ resultados de pérdidas por válvula gate Cabezal de Factor de accesorio Perdida de cabezal velocidad hv K Medido h [mH2O] [mH2O] 1,2005 1,2005 1,2005 1,2005 1,2005 1,1331 1,1554 1,1331 1,0442 1,0210
Velocidad u [m/s]
0,9835 1,0229 1,0686 1,2294 1,5320 2,3344 2,3023 2,7857 4,5336 4,4923
0,877 0,877 1,362 1,694 2,310 2,260 2,545 3,014 3,392 3,861
Velocidad u [m/s]
1,1807 1,2280 1,2828 1,4758 1,8391 2,6451 2,6600 3,1565 4,7340 4,5864
4,851 4,851 4,851 4,851 4,851 4,713 4,759 4,713 4,524 4,473
Grafica 5/factor de accesorio Vs porcentaje de apertura de la valvula gate
K Vs porcentaje de apertura 5 4,5 K 4 o i r 3,5 o s e 3 c c a 2,5 e d 2 r o t 1,5 c a 1 F 0,5 0 0%
20%
40%
60%
Posición de válvula (%)
80%
100%
Anexos D
Imagen 1/ grafica de Moody
