LABORATORIO N° 3
PERDIDAS EN TUBERIAS Y CONECTORES
ANDRES DAVID MENDEZ ESPINEL
1090580
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIA ELECTROMECANICA MECANICA DE FLUIDOS SAN JOSE DE CUCUTA 2014
LABORATORIO N° 3
PERDIDAS EN TUBERIAS Y CONECTORES ANDRES DAVID MENDEZ ESPINEL
1090580
PERDIDAS EN TUBERIAS Y CONECTORES
PRESENTADO A: Luis Emilio vera duarte Ingeniero mecánico
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIA ELECTROMECANICA MECANICA DE FLUIDOS SAN JOSE DE CUCUTA 2014
INTRODUCCIÓN La pérdida de energía (o carga) que se presentan en una conducción debido a elementos como: ensanchamientos, contracciones, válvulas, codos o curvas, etc. se denominan pérdidas secundarias por aditamentos. En estos elementos los efectos debidos a fricción son pequeños y más bien producen una perturbación de la corriente que origina remolinos y desprendimientos que son los que intensifican las perdidas y una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo. En todos los aditamentos se van a generar perdidas, aunque mayores en unos que otros, existen por ejemplo cambios bruscos y cambios suaves en los cuales las pérdidas son diferentes. En este laboratorio se calcularán las magnitudes de dichas pérdidas ocurridas por estas fuentes mediante datos experimentales. Conoceremos acerca de las pérdidas que se obtienen en los diferentes diseños de tuberías, mediremos las presiones de cada tipo de tubería y su respectivo caudal para determinar cada pérdida de energía y accesorios de los sistemas hidráulicos esto con el fin de conocer y aprender las características de selección de tuberías. Además nos familiarizaremos con el Número de Reynolds (Nr), sabiendo que con el podemos definir si es un flujo laminar o turbulento, y algunas ecuaciones como las de Darcy-Weisbachy y la ecuación del número de Reynolds.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERALES Determinar las pérdidas de carga que ocurren en tuberías y accesorios y su variación de acuerdo a los diferentes parámetros que intervienen.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conocer la importancia que tienen las pérdidas de energía en tuberías y accesorios para que los sistemas hidráulicos funcionen. Determinar grandes pérdidas de energía proporcionadas por algunos accesorios.
MARCO TEÓRICO
FORMULA DE DARCY-WEISBACH
En dinámica de fluidos, la ecuación de Darcy-Weisbach es una ecuación empírica que relaciona la pérdida de carga hidraúlica (o pérdida de presión) debido a la fricción a lo largo de una tubería dada con la velocidad media del flujo del fluido. La ecuación tiene su nombre de Henry Darcy y Julius Weisbach. La ecuación de Darcy-Weisbach contiene un factor adimensional, conocido como el factor de fricción de Darcy o de Darcy-Weisbach, el cual es cuatro veces el factor de fricción de Fanning, con el cuál no puede ser confundido. Esta fórmula permite la evaluación apropiada del efecto de cada uno de los factores que inciden en la pérdida de energía en una tubería. Es una de las pocas expresiones que agrupan estos factores. La ventaja de esta fórmula es que puede aplicarse a todos los tipos de flujo hidráulico (laminar, transicional y turbulento), debiendo el coeficiente de fricción tomar los valores adecuados, según corresponda.
La forma general de la ecuación de Darcy-Weisbach es:
H: perdidas de presión. F: coeficiente de rozamiento (del tubo de prueba). D: diámetro del tubo (diámetro interior). V: velocidad-promedio del fluido. G: aceleración de la gravedad. K:coeficiente de resistencia
NÚMERO DE REYNOLDS
El número de Reynolds (Re) es un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un modelo laminar o turbulento. El número de Reynolds depende de la velocidad del fluido, del diámetro de tubería, o diámetro equivalente si la conducción no es circular, y de la viscosidad cinemática o en su defecto densidad y viscosidad dinámica. En una tubería circular se considera: • Re < 2300 El flujo sigue un comportamiento laminar. • 2300 < Re < 4000 Zona de transición de laminar a turbulento. • Re > 4000 El fluido es turbulento.
Re: Número de Reynolds d: Densidad (densidad del agua = 1000kg/m³) v: Velocidad del fluido D: Diámetro de la tubería o su Diámetro equivalente μ: Viscosidad dinámica (viscosidad dinámica del agua = 0,001002 Pa·s) ϑ: Viscosidad cinemática (viscosidad cinemática agua = 1,002 cSt)
Laminar: La velocidad en cada punto del fluido permanece constante con el tiempo. En este caso las líneas de corriente no se cruzan unas con otras. El movimiento del fluido suele ser laminar si la velocidad no es demasiado grande. Turbulento: es un régimen irregular caracterizado por regiones con remolinos. En este caso las líneas de corriente se cruzan unas con otras. Se produce cuando se alcanza una cierta velocidad crítica o cuando la velocidad cambia bruscamente.
APARATOS A UTILIZAR
Panel de estudio de pérdidas de tubería y conectores Banco básico para hidrodinamica Un cronometro Flexómetro Calibrador pie de rey
PROCEDIMIENTO Poner en funcionamiento la motobomba, con las válvulas de paso totalmente abiertas, se van cerrando lentamente y se toman los respectivos volúmenes en un tiempo determinado, para el caudal (Q). Tomar tres tiempos y volúmenes y sacar promedios) Se leen los deltas de presión en los manómetros deferenciales de columna de agua para el tramo de tubería y para cada accesorio. Se deben tomar cuatro caudales diferentes para el posterior cálculo del caudal en cada tubería.
1. tubo manómetro 2. tubos de sección variados 3. sección de la tubería de objetos intercambiables de desconexión o medición 4. cámara anular 5. válvula de bola
CALCULOS
CAUDAL MEDIO es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
[ ] [ ] Velocidad del fluido y área transversal de la tubería El cálculo del caudal viene expresado por la ecuación de continuidad dónde: Es el caudal (m³/s) Es la velocidad (m/s) Es el área de la sección transversal de la tubería (m²)
Para que el agua fluya entre dos puntos, desde un punto inicial a un punto final, debe existir entre estos dos puntos una diferencia de energía. Esta diferencia de energía debe igualarse a la energía necesaria para: Vencer la rugosidad de la tubería Mantener o no los efectos de la viscosidad del líquido, sin importar el régimen (laminar, transicional ó turbulento) Cuando la diferencia de energía es capaz de mover cierto volumen de líquido desde un punto inicial hasta otro punto final, se tiene un fluido. el cual posee propiedades físicas intrínsecas medibles tales como: Régimen de funcionamiento (régimen laminar, régimen transicional o régimen turbulento) Caudal circulante, volumen de agua sobre unidad de tiempo (energía por velocidad dinámica) Presión interna (energía cinética) Energía por posición (energía potencial)
ÁREA TRANSVERSAL DE LA TUBERÍA D= diámetro interno
NUMERO DE REYNOLDS El número de Reynolds depende de la velocidad del fluido, del diámetro de tubería, o diámetro equivalente si la conducción no es circular, y de la viscosidad cinemática o en su defecto densidad y viscosidad dinámica.
DIFERENCIAS DE PRECION MEDIDA POR EL MANOMETRO
TABLA DE DATOS DIAMETROS (cm)
TIPO DE TUBERIA TUBO RECTO VALVULA CODOS 90 Y 45 EXPANSIÓN
DIAMETRO (cm) 1.27 1.27 1.27
1.27 2.54
REDUCCION
TABLA RESULTADOS FINALES
ACCESORIOS Recto P.V.C Codos 45 Codos 90 Red P.V.C Exp P.V.C válvula
Vol. 5 litros h(cm)
t(s) 11.52 22.3 34.6 45 31.5 11.2 20.1
Vol. t(s) 5 litros 12.04 h(cm) 12.8 22.9 29.7 19.9 6.4 10
Vol. t(s) 5 litros 19..56 h(cm) 5.2 9.4 11.5 6.8 2.1 3.1
Vol. t(s) 5 litros 34.07 h(cm) 0.1 2.3 2.7 1.4 0.1 0.5
CAUDALES (cm^3/sg)
Recto P.V.C Codos 45 Codos 90 Red P.V.C Exp P.V.C válvula
ABIERTA 434.028 476.64 476.64 434.028 434.028 483.56
¼ CERRADA 415.28 399.04 399.04 415.28 415.28 399.68
½ CERRADA 255.62 198.34 198.34 252.65 252.65 287.69
¾ CERRADA 146.76 128.63 128.63 124.91 124.91 139.74
Velocidades (cm/seg)
Recto P.V.C Codos 45 Codos 90 Red P.V.C Exp P.V.C válvula
ABIERTA 342.63 376.26 376.26 85.66 342.63 381.73
¼ CERRADA 327.83 315 315 81.96 327.83 315.51
½ CERRADA 201.79 156.57 156.57 49.86 199.44 287.69
¾ CERRADA 115.85 101.54 101.54 24.65 98.61 110.31
½ CERRADA 5.2 5.7 4.7 12.1 7.8 3.1
¾ CERRADA 0.1 1.35 1.15 0.1 1.4 0.5
Cm de agua (cm)
Recto P.V.C Codos 45 Codos 90 Red P.V.C Exp P.V.C válvula
ABIERTA 22.3 22.5 17.3 11.2 31.5 20.1
¼ CERRADA 12.8 14.85 11.45 31.5 19.9 10
NUMERO DE REYNOLDS
Recto P.V.C Codos 45 Codos 90 Red P.V.C Exp P.V.C válvula
ABIERTA 43340.64 47594.64 47594.64 21670.00 43340.65 48286.56
¼ CERRADA 41468.53 39845.62 39845.62 20734.90 41468.54 39910.12
½ CERRADA 25525.23 19805.17 19805.17 12613.48 25227.97 28726.74
¾ CERRADA 14654.53 12844.2031 12844.2031 6236.1553 12473.58 13954.116
CALCULO DE CAUDAL
Calculo de caudales correspondientemente para tubería abierta:
Calculo de caudales correspondientemente para tubería ¼ cerrada:
Calculo de caudales correspondientemente para tubería ½ cerrada:
Calculo de caudales correspondientemente para tubería ¾ cerrada:
CALCULO DE VELOCIDAD
Calculo de velocidad para tubería abierta:
Calculo de velocidad para tubería ¼ cerrada:
Calculo de velocidad para tubería ½ cerrada:
Calculo de velocidad para tubería ¾ cerrada:
CALCULO NUMERO DE REYNOLDS
Calculo de numero de Reynolds para tubería abierta:
Tubo recto: primero hallaremos la viscosidad cinemática después se reemplaza en la fórmula de numero de Reynolds
Calculo de numero de Reynolds para tubería ¼ cerrada:
Calculo de numero de Reynolds para tubería ½ cerrada:
Calculo de numero de Reynolds para tubería ¾ cerrada:
CONCLUSIONES
-
A medida que se aumente la longitud del tramo en donde se toma las mediciones pertinentes a la caída de presión, están van hacer mayores, por lo q se verifica la proporcionalidad que hay entre la perdida de energía y la longitud como lo muestra la expresión:
-
Un aumento en el caudal produce una elevación en las caídas de presión, debido a que, en una sección de tubería de área constante, la velocidad va hacer mayor, por lo tanto las pérdidas de energía van aumentar en un factor cuadrático, pues :
-
Las diferencias entre las medidas experimentales y la teóricas, radican en la sensibilidad y la calibración del manometro, pues cualquier entorpecimiento del sistema hacia que los datos cambiaran abruptamente.
ANEXOS
Grafica de h vs Nr para el tubo recto
Grafica de h vs V^2/2g tubo recto
Grafica v^2/2g válvula
Grafica v^2/2g codo 45
Grafica de v^2/2g de 90
