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Año del buen servicio al ciudadano
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LABORATORIO N° 11: BANCO DE TUBERÍAS: PÉRDIDAS LOCALES
Lima 2017
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FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL LABORATORIO 11 BANCO DE TUBERÍAS: PÉRDIDAS LOCALES CURSO: MECANICA DE FLUIDOS
BLOQUE: FC-PRE7CIV06D1N
DOCENTE: PÉREZ CAMPOMANES, GIOVENE.
AUTORES:
CODIGO
ACUÑA SOTO MARLENY YHOVANA
1420761
AYMARA ALAGON FRANZ MAYCOLL
1420813
CASTAÑEDA HUAMAN MAGALY SILVIA
1420863
LIMA-PERU FECHA: 21/06-/17
2017-I
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INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 4 OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 4 MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................... 4 PÉRDIDAS DE CARGA ................................................................................................................. 4 EQUIPO EMPLEADO ....................................................................................................................... 7 MARCO METODOLÓGICO .............................................................................................................. 8 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................................... 8 DATOS Y ANALISIS DE RESULTADOS........................................................................................... 9 ENSAYO Nº 1: CODO Nº 1 DE ANGUO 90º DIAMETRO 14.5mm Y k= 0.98 ............................. 9 ENSAYO Nº 2: CODO Nº 2 DE ANGUO 45º DIAMETRO 27mm Y k= 0.2 ................................ 10 ENSAYO Nº 3: CURVA DE ANGUO 90º DIAMETRO 27mm Y k= 0.14 .................................... 11 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 12 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.................................................................................................... 13
INDICE DE FIGURAS Figura 1. Energía perdida entre dos secciones.............................................................................. 5 Figura 2. Pérdidas debidas a una brusca variación de sección. .................................................... 5 Figura 3. H38D / H38D-EA / E - Unidad de Estudio en Caídas de presión. .................................... 7 Figura 4. H38D / H38D-EA / E. componentes del elemento a describirse .................................... 8 Figura 5. Derecha, instalación en los codos de 45ª . Izquierda, Codos de 90ª. ............................ 9 INDICE DE TABLAS Tabla 1. Variables de K a para diferentes relaciones de ensanchamiento y ángulos del codo ..... 6 Tabla 2. Valores de K c para diferentes relaciones de concentración ........................................... 6 Tabla 3. Valor de K g para diferentes ángulos de codo ................................................................. 6 Tabla 4. Valor de K a para diferentes valores entre el radio de curva y el diámetro. ................... 6 Tabla 5. Valores de K i para diferentes tipos de órganos .............................................................. 6 Tabla 6. Pérdida de cargas experimentales y teóricas Y, Caudal eEn un codo de 90º. ................ 9 Tabla 7. Pérdidas de carga experimentales y teóricas, Caudal en un codo de 45º..................... 10 Tabla 8. Pérdida de cargas experimentales y teóricas y Caudal para una curva de 90º ............. 11 GRAFICOS Gráfico 1. Caudal (Q) Vs Dp (experimental y teórico). En un codo de 90ª.................................. 10 Gráfico 2. Caudal (Q) Vs Dp (experimental y teórico), en un codo de 45 ª. ................................ 11 Gráfico 3.Caudal (Q) Vs Dp (experimental y teórico), en un codo de 90ª. ................................. 12
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INTRODUCCIÓN En las tuberías, cualquier causa perturbadora, cualquier elemento o dispositivo que venga a establecer o elevar la turbulencia, cambia la dirección o alterar la velocidad, origina una pérdida de carga. A consecuencia de la inercia y de torbellinos, parte de la energía mecánica disponible se convierte en calor y se disipa, bajo esta forma, resultando la perdida de carga. En la práctica las tuberías no son constituidas exclusivamente de tubos rectilíneos y del mismo diámetro. Usualmente incluyen piezas especiales y conexiones que por la forma y disposición, elevan la turbulencia, provocan fricciones y causan el choque de partículas dando origen a pérdidas de carga. Se presentan tuberías con codos y curvas de ángulos de 90 ° y 45°. A continuación realizaremos y conoceremos a nivel de laboratorio perdidas en tuberías y accesorios las cuales son denominadas perdidas locales.
OBJETIVOS
Comparar las pérdidas en los codos G1 a 90 ° y G2 a 45 °y en la curva C1 a 90 °. Comparar las pérdidas medidas en los codos y en las curvas con las pérdidas calculadas a través de las fórmulas empíricas. Convertir los valores medidos en las correspondientes unidades del sistema internacional.
MARCO TEÓRICO PÉRDIDAS DE CARGA:
En las tuberías cualquier causa perturbadora, elemento o dispositivo que venga a establecer o elevar la turbulencia, cambiar la dirección o alterar la velocidad, origina una pérdida de carga. A consecuencia de la inercia y de los torbellinos, parte de la energía mecánica disponible se convierte en calor y se disipa bajo esa forma, resultando la pérdida de carga. En la práctica, las tuberías no son tubos rectilíneos y del mismo diámetro. Usualmente incluyen piezas especiales y conexiones que, por la forma y disposición, eleva la turbulencia, provoca fricciones y causa el choque de las partículas, dando origen a las pérdidas de carga. Además en los sistemas se presentan diferentes accesorios, como válvulas, medidores, etc., los cuales provocan pérdidas de esta naturaleza. Mott.R.l (2006) Dichas pérdidas se pueden subdividir del siguiente modo:
Pérdidas debidas a una brusca variación de sección. Pérdidas debidas a una variación de dirección del movimiento del líquido. Pérdidas debidas a la presencia de juntas y órganos de interceptación.
Como se muestra en la fig. 1 un tramo de tubería horizontal de sección circular; se supone que en una sección normal hay un estrechamiento que impide el movimiento regular de la corriente.
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Figura 1. Energía perdida entre dos secciones
Fuente: Mena. Z.M. Pérdidas en Tuberías 2014
En cualquier estrechamiento brusco de sección hay una pérdida de carga local medida por la altura cinética, correspondiente a la perdida de velocidad. De modo general todas las pérdidas de carga locales pueden ser expresadas bajo la forma: ℎ =
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Donde: ℎ : (); : sin ; 1: ( /)
Se verifico que el valor de K es prácticamente constante para los valores del número de Reynolds superiores a 50.000. Se concluye entonces que para los fines de aplicación práctica, se puede considerar constante el valor de K para determinada pieza, en régimen turbulento, independiente del diámetro de la tubería, de la velocidad y de la naturaleza del flujo.
Figura 2. Pérdidas debidas a una brusca variación de sección.
Fuente: Chereque.M.W. Mecánica de fluidos I- perdidas locales. Pag.173.
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En la Tabla 1. Se presencia ángulo del codo con sus diferentes ensanchamientos de acuerdo a la relación de sus diámetros de los mismos. Ángulo entre el eje de los dos tubos empleados. Ángulos
α
40
100
150
200
300
500
600
1.2 1.4 1.6
0.02 03 03
0.04 06 07
0.09 12 14
0.16 23 26
0.25 36 42
0.35 50 57
0.37 53 61
1.8 2
04 04
07 07
15 16
28 29
44 46
61 63
65 68
2.5 3
04 04
08 08
16 16
30 31
48 48
65 66
70 71
4 5
04 04
08 08
16 16
31 31
49 50
67 67
72 72
Ensanchamiento d1/d2
Tabla 1. Variables de K a para diferentes relaciones de ensanchamiento y ángulos del codo
En las Tablas 2,3,4 y 5 K a , k c , k g , k , k i , son coeficientes numéricos, : Ángulo entre el eje de los dos tubos empleados; r : Radio de la curva y D: Diámetro del tubo. ∞
Fuente: Shames I. tercera edición. Mecánica de fluidos. Pag.328
d1/d2
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
Kc
0.08
17
26
34
37
41
43
45
46
Tabla 2. Valores de K c para diferentes relaciones de concentración
α
200
400
600
800
900
1000
1200
1400
Kg
0.05
0.14
0.36
0.74
0.98
1.26
1.86
2.43
Tabla 3. Valor de K g para diferentes ángulos de codo
r/D
200
400
600
800
900
1000
1200
1400
Kα
0.05
0.14
0.36
0.74
0.98
1.26
1.86
2.43
Tabla 4. Valor de K a para diferentes valores de la relación entre el radio de curva y el diámetro.
Órgano de interceptación
Ki
Válvula de bola l/2
3.27
Válvula de bola 3/8
3.73
Válvula lenticular (V3)
17.83
Válvula de membrana (V4)
12.90
Válvula de compuerta (V5)
0.01
Válvula de aguja (V6)
6.99
Tabla 5. Valores de K i para diferentes tipos de órganos
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EQUIPO EMPLEADO
Electrobomba Recipiente de PVC, capacidad de unos 100 lt. Medidor de flujo para medir el caudal principal Q; Caudal 0,2 / 3 m³/h Manómetro Bourdon para medir la presión en el circuito principal (Caudal 0 – 6 Bar) Curva C1 de PVC a 90º Ø int. 27 mm, radio de arqueo 86 mm. Tubo lineal de PVC Ø int. 16 mm Ø ext. 20 mm longitud 1300 mm T1, Tubo lineal de PVC Ø int. 9 mm Ø ext. 12 mm longitud 1300 mm T2, Tubo de PVC Ø int. 15,5 mm Ø ext. 20 mm con codos a 90º de radio estrecho longitud 1300 mm desarrollo total 1740 mm T3 y Tubo de PVC Ø int. 15,5 mm Ø ext. 20 mm con codos a 90º de radio ancho longitud 1300 mm desarrollo total 1930 mm T4. Codo G2 de PVC a 45º Ø int. 27 mm y Codo G1 de PVC a 90º Ø int. 14.5 mm Válvula de bola V1 de 1/2" (sección transversal 201 mm2) , Válvula de bola V2 d 3/8" (sección transversal 78.5 mm2), Válvula lenticular V3 (sección transversal 188.6 mm2), Válvula de membrana V4 (sección transversal 63 mm2), Válvula de compuerta V5 (sección transversal 505 mm2) Diafragma calibrado Ø int. 14.586 Ø ext. 50 mm S1 Tubo de Venturi Ø int. 11,5 mm Ø ext. 50 mm S2 y Tubo de Pitot Ø int. 14 mm S3 (Ø efectivo 12.31 mm) Contador volumétrico agua calibrado en m³ y manómetro de mercurio con tubo en "U" para medir la pérdida de carga ∆p; Caudal -400 / +400 mm Hg. Válvula de presurización del equipo y de regulación del caudal Q y Válvula de admisión electrobomba. Transductor electrónico de presión diferencial para medir el caudal principal Q (caudal -1 a +1 bar) Indicador digital caudal Q. Tubo lineal de PVC Ø int. 16 mm Ø ext. 20 mm longitud 1300 mm ,Tubo lineal de PVC Ø int. 9 mm Ø ext. 12 mm longitud 1300 mm, Tubo de PVC Ø int. 15,5 mm Ø ext. 20 mm con codos a 90º de radio estrecho longitud 1300 mm desarrollo total 1740 mm, Tubo de PVC Ø int. 15,5 mm Ø ext. 20 mm con codos a 90º de radio ancho longitud 1300 mm desarrollo total 1930 mm Interruptor general con protección motor.
Figura 3. H38D / H38D-EA / E - Unidad de Estudio en Caídas de presión. USIL Laboratorio-Pachacamac- Perú-Lima.
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MARCO METODOLÓGICO PROCEDIMIENTO
Figura 4. H38D / H38D-EA / E. (los números indican los componentes del elemento de la unidad de estudio a describirse durante e procedimiento.
FUENTE: Didacta Italia- Hidráulica
1. Abrir las válvulas de admisión de la electrobomba (25) y encender la electrobomba mediante el interruptor (I). 2. Abrir el grifo. 3. Abrir la válvula de entrada (26) a los tubos y a las válvulas que se están probando. 4. Abrir las válvulas de descarga del manómetro en forma de U (22). 5. Abrir la válvula V6 (17) y cerciorarse de que estén cerradas las otras válvulas V1, V2, V3, V4, V5. 6. Regular el caudal Q a través de la válvula de presurización (24) de modo que se mida con el medidor de flujo (3) un caudal de unos 0,2 m³/h (valor mínimo detectable). 7. Conectar las tomas del manómetro en forma de U (22) antes y después del codo G1 (11) y cerrar delicadamente la válvula de descarga. 8. Medir con el manómetro (22) la caída de presión ∆p relativa al codo G1 y anotar el valor. 9. Repetir la lectura para los valores de caudal crecientes cambiando de 0,1 m³/h aproximadamente el caudal mediante la válvula (24). 10. Realizar por lo menos dos series de medidas para reducir el error experimental. 11. Cerrar la válvula V6 (17). 12. Repetir los puntos desde el 4 hasta el 11 para el codo G2 y la curva C1 utilizando otras dos copias de la tabla H38D_21. En este caso es oportuno abrir la válvula V5 (16) para alcanzar un caudal superior. 13. En caso de que no se disponga de una hoja electrónica, introducir en las tablas del apéndice 2 los valores calculados (columnas grises) y trazar los diagramas ∆p – Q.
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Figura 5. Derecha, instalación en los codos de 45ª . Izquierda, Codos de 90ª USIL LaboratorioPachacamac- Perú-Lima.
DATOS Y ANALISIS DE RESULTADOS ENSAYO Nº 1: CODO Nº 1 DE ANGUO 90º DIAMETRO 14.5mm Y k= 0.98 D(mm) 14.5
Q(m^3/h) 3.34 3.3 3.29 3.28 3.27
D(m) 0.0145
Q(m^3/s) 0.000928 0.000917 0.000914 0.000911 0.000908
ϴ
90
K 0.98
DP(experimental) 600 400 300 200 150
Dp( mmHg) 4.50036888 3.00024592 2.25018444 1.50012296 1.12509222
DP(teórico) 15483.626610 15114.982052 15023.514897 14932.325336 14841.413369
Tabla 6. Pérdida de cargas experimentales y teóricas Y, Caudal en un codo de 90º.
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Codo 1 18000 16000 ) a P ( s e n o i s e r p e d a i c n e r e f i
14000 12000 10000
D
8000
DP(experimental)
6000
DP(teorico)
4000 2000 0 0.000905 0.000910 0.000915 0.000920 0.000925 0.000930
Caudales Gráfico 1. Caudal (Q) Vs Dp (experimental y teórico). En un codo de 90ª.
ANALISIS DEL GRAFICO Nº 1:
Como se puede notar el fluido dentro de tuberías presenta una serie de perdidas las cuales son por fricción y accesorios; pero la perdida por este último es menor en comparación con los datos obtenidos en el laboratorio 10. Para el grafico n°1; el primer análisis que se puede hacer que las perdidas esta relacionadas directamente al caudal que circula por la tubería, y es por eso que la diferencia de presiones que se presenta en la tabla n°6 disminuye respecto al caudal También algo importante que se puede observar que la forma del accesorio será muy importante ya que de esta dependerá la magnitud de la perdida que ocurrirá en la tubería. Como se puede apreciar en el grafico n°1 también hay que mencionar que el ensayo no se desarrolló de la manera adecuada; por que los valores de la diferencia de presiones tanto teóricas como experimentales debe estar dentro de un valor aproximado.
ENSAYO Nº 2: CODO Nº 2 DE ANGUO 45º DIAMETRO 27mm Y k= 0.2 D(mm) 27
Q(m^3/h) 2.81 2.8 2.79 2.68 2.49
D(m) 0.027
Q(m^3/s) 0.000781 0.000778 0.000775 0.000744 0.000692
ϴ
45
K 0.2
DP(experimental) 900 700 400 300 200
Dp( mmHg) 6.75055332 5.25043036 3.00024592 2.25018444 1.50012296
DP(teórico) 186.0429718 184.7211787 183.4040978 169.2272186 146.0828801
Tabla 7. Pérdidas de carga experimentales y teóricas, Caudal en un codo de 45º
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Codo 2 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 D 0 0.000680
) a P ( s e n o i c e r p e d a i c n e r e f i
0.000700
0.000720
0.000740
0.000760
0.000780
0.000800
Caudales (Q)m3/s Gráfico 2. Caudal (Q) Vs Dp (experimental y teórico), en un codo de 45ª.
ANALISIS DEL GRAFICO Nº 2
Como se ha mencionado en el análisis anterior, ahora se puede comparar los resultados entre ambos tipos de codos, y como se había anticipado la forma del accesorio tiene que ver con las perdidas. Para explicar esto tenemos que observar el accesorio y veremos que en un accesorio 1 (codo de 90°) la perdida será mayor debido a que el fluido tendrá que cambiar bruscamente su dirección; en cambio en el accesorio 2 (codo de 45°) el cambio no será muy brusco. En el Grafico N°2, se puede observar que hay un crecimiento en la gráfica; eso se debe a que los valores obtenidos no fueron los adecuados ya que esta debería mantener una forma creciente.
ENSAYO Nº 3: CURVA DE ANGUO 90º DIAMETRO 27mm Y k= 0.14 D(mm) 27
D(m) 0.027
K 0.14
ϴ
90
Q(m^3/h)
Q(m^3/s)
DP(experimental)
Dp( mmHg)
DP(teórico)
2.7
0.000750
1300
9.75079924
12.2562381
2.67
0.000742
1100
8.25067628
11.98539037
2.66
0.000739
900
6.75055332
11.89578029
2.65
0.000736
800
6.00049184
11.80650645
2.64
0.000733
400
3.00024592
11.71756887
Tabla 8. Pérdida de cargas experimentales y teóricas y Caudal para una curva de 90º
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Curva 1 1400 ) a P ( s e n o i s e r p e d a i c n e r e f i
1200 1000
D
800 600 400 200 0 0.000730
0.000735
0.000740
0.000745
0.000750
0.000755
Caudal Q (m3/s) Gráfico 3.Caudal (Q) Vs Dp (experimental y teórico), en un codo de 90ª.
ANALISIS DEL GRAFICO Nº 3
En el grafico n°3, podemos notar que el valor experimental está por encima del teórico, la razón de esto puede ser que las condiciones en las que se realizó el ensayo no eran las adecuadas, mala calibración de equipos o un error del estudiante; pero como se ha revisado cuidadosamente los cálculos del ensayo se ha llegado a la conclusión de que es un error de los equipos. Si realizamos una comparación con los accesorios anteriores (codos); se puede concluir que los accesorios que presenta menor perdida de energía son las curvas, esto debido a su forma y que el cambio en la dirección de la velocidad no es tan brusca como en los codos. Y estos datos se puede observar en la tabla n° 6, 7 y 8 en la que podemos observar la diferencia de presiones teóricas ya que los experimentales fueron incorrectos.
CONCLUSIONES 1. En el presenta laboratorio se concluye que los accesorios no solo son objetos que permiten realizar algunos acomodos en las tuberías sino que también estos nos generan pérdidas de cargas menores al de fricción pero también se le hay que tener en consideración para el diseño. 2. Que las perdidas siempre estarán relacionadas directamente con el caudal que se está trabajando. 3. Las pérdidas por accesorios es directamente proporcional a la carga de velocidad. 4. Las perdidas locales es considerable y depende primordialmente de la geometría de los mismos a pesar de que estos no ocupen gran espacio.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Falconi.C.C. (2011).Mecánica de Fluidos UNS-Facultad de ingeniería. Perú, Chimbote. [2] Mena. Z. M.A (2014)- Facultad de ciencias. Tesis . Universidad internacional SEK. [3] Mott.R.I. (2016) Mecánica de fluidos . Sexta edición. Editorial Prentice Hall.INC. México D.F. [4] Shames I. (1992) Mecánica de Fluidos . Tercera edición. Editorial McGraw-Hill. EE.UU. [5] SGBATOS. (2004) Project of hydraulic. ITLM-Buenos Aires. [6] Streeter.V.W and Bedford.K. (2000) Mechanics Fluids. 9Ed. McGraw Hill. Bogotá.
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