Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de Ingeniería Química Petrolera
UNIDAD DE OPERAIONES UNI!ARIAS "A#ORA!ORIO DE $"U%O DE $"UIDOS
Práctica 3 DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DE CAÍDAS DE Pro&a' Adela (on)*le) Sandoval
E+uipo , astro -*.e) %osselin arolina /P012
$ec3a de reali)aci4n5 /2 de 6ar)o7 8 9 21 de a:ril del ,;2< $ec3a de entrega5 ,2 de A:ril del ,;2<
Objetivo Geera!
Determinar 9 anali)ar los &actores +ue in=u9en en la caída de presi4n en tu:ería7 v*lvulas 9 accesorios'
O:>etivos Particulares
A? Determinar la caída de presi4n por &ricci4n en tu:os rectos de di*metros 9 rugosidades di&erentes 9 o:servar cu*l de éstos dos &actores es m*s determinante en la caída de presi4n' #? Determinar la caída de presi4n por &ricci4n a través de accesorios 9 v*lvulas en &orma experimental' ? alcular la longitud e+uivalente en v*lvulas 9 accesorios 9 comparar los resultados experimentales con los de la literatura'
IN!RODUI@N
En las industrias de proceso7 gran parte de los materiales est*n en &orma de =uidos 9 de:en almacenarse7 mane>arse7 :om:earse por lo +ue resulta necesario conocer los principios +ue go:iernan al =u>o de =uidos 9 a los e+uipos utili)ados' $lu>o de =uidos en tu:erías'
"a situaci4n ideal del =u>o en una tu:ería se esta:lece cuando las capas de =uido se mueven en &orma paralela una a la otra' "as capas de =uido pr4ximas a las paredes internas de la tu:ería se mueven lentamente7 mientras +ue las cercanas al centro lo 3acen r*pidamente' Es necesario dimensionar las tu:erías de acuerdo al caudal +ue circulara por ellas7 una tu:ería de di*metro reducido provocara elevadas velocidades de circulaci4n 9 como consecuencia perdidas elevadas por &ricci4n' Una tu:ería de gran di*metro resultara costosa 9 di&ícil de instalar' Perdidas en tu:erías' "os cam:ios de presi4n +ue se tienen en un =u>o incompresi:le a través de un tu:o se de:en a cam:ios en el nivel o :ien a cam:ios en la velocidad de:ido a cam:ios en el *rea de la secci4n transversal 9 por otra parte al ro)amiento'
Perdidas ma9ores5 Se de:en al ro)amiento en un =u>o completamente desarrollado +ue pasa a través de segmentos del sistema con *rea de secci4n transversal constante' Perdidas menores5 Se de:en a la presencia de v*lvulas7 :i&urcaciones7 codos 9 a los e&ectos de ro)amiento en a+uellos segmentos del sistema cu9a *rea de secci4n transversal no es constante' $lu>o laminar 9 tur:ulento en tu:erías' "a naturale)a del =u>o a través de un tu:o est* determinada por el valor +ue tome el nmero de Re9nolds siendo este un numero adimensional +ue depende de la densidad7 viscosidad 9 velocidad del =u>o 9 el di*metro del tu:o' Si el =u>o es laminar ReB,2;;
Si el =u>o es tur:ulento ReC1/;; "as pérdidas de presi4n en un sistema de tu:erías se de:en a varias características del sistema5 2' Ro)amiento en las paredes de la tu:ería de:ido a5 a? $unci4n de rugosidad de la supercie interior' :? Di*metro interior' c? 0elocidad' d? Densidad' e? 0iscosidad del =uido' ,' am:ios de direcci4n del =u>o' /' o:strucciones en el paso del =u>o' 1' am:ios repentinos o graduales en la supercie 9 contorno de paso del =uido'
Dia"ra#a $e %!&jo
TAB'A DE DATOS E(PERIMENTA'ES
!a:la /,' Datos Experimentales de la "ínea de !u:o Recto ORRID A 2
(v !ramo D Fl1? F"Gmin? HP g&Gcm, 2; 1'2
!ramo I % Fl1? HP g&Gcm, /'K
!ramo 6N FJg? HP g&Gcm, 2'1
,
2,
K'K
1'L
2'L
/
21
8'L
<'<
,'8
1
2<
2;'/
L'K
/'/
K
2M
2,'2
22'K
/'8
<
,;
21'L
21'1
1'K
8
,,
2M'8
28'1
K'1
M
,1
,1
,;',
8'2
!a:la //' Datos Experimentales Ramal de Accesorios ORRID A 2
(v !ramo A# !ramo E$ Fl1? F"Gmin? odos FJg? HP ompuerta HP g&Gcm, g&Gcm, 2; ;'L L'1
!ramo (J FJg? HP g&Gcm, 2'K
!ramo OP Fl1? HP g&Gcm, M'1
,
2,
2'1
2/'<
2'8
2,'<
/
21
2'<
2M'K
,'1
28
1
2<
,',
,/'8
/
,,'1
K
2M
,'<
/;'2
1
,M'2
<
,;
/'/
/<'M
K'2
/K
C)'CU'OS ρhg=13546
Kg m
3
ρccl 4=1585
Kg m
3
ρ H 2 O a 25 ° C = 997.045
Kg 3
m
'*ea $e t&bo recto a? alculo de las caídas de presi4n pr*cticas para cada tramo de tu:o recto ∆ P p= ∆ H ( ρm − ρ )
!ramo D Fl1?
g gc
(
9.81
)
m 2
kg Kg s Kgf =24.106155 2 ∆ P p=O .041 m 1585 3 −997.045 3 m m 9.81 Kg − m m 2 Kgf − s
!ramo I% Fl 1?
(
9.81
)
m 2
kg Kg s =20.578425 Kgf ∆ P p=O .035 m 1585 3 −997.045 3 2 m m 9.81 Kg− m m 2 Kgf − s
!ramo 6N FJg?
(
)
9.81
m 2
Kg Kg s Kgf =175.68537 2 ∆ P p=O .014 m 13546 3 − 997.045 3 m m 9.81 Kg −m m 2 Kgf −s
:? *lculo de la velocidad del =u>o del =uido dentro de la tu:ería' v=
Gv A
π 2 A = di 4
!ramo D Di*metro interno;';,<<1m !ramo I% Di*metro interior ;';,<<1m !ramo 6N Di*metro interior;';,<<1m π 2 A = 0.02664 m = 0.000557389 m 4
3
l 0.001 m 1 min ( )( ) 10 1l 60 s min = 0.2990132 m / s v= 0.000557389 m
c? *lculo del nmero de Re9nolds ℜ=
div ρ μ
μa 25 ° C =0.000891
Kg m −s
div ρ μa 25 ° C
ℜ=
0.02664 m∗0.2990132 m / s 997.045
ℜ= 0.000891
Kg m
3
Kg m− s
ℜ= 8913.775742
d? *lculo de la rugosidad relativa Rugosidad relaiva=
! di
! hierro galvani"ado =0.00015 m
! hierro fundido= 0.00026 m
Rugosidad relaiva=
! di
!ramo D 3ierro &undido Rugosidad relaiva=
0.00026 m =0.00975976 0.02664 m
!ramo I% 3ierro galvani)ado Rugosidad relaiva=
0.00015 m =0.005630631 0.02664 m
!ramo 6N 3ierro galvani)ado Rugosidad relaiva=
0.00015 m =0.005630631 0.02664 m
e? *lculo del &actor de &ricci4n de Darc9 f # =
[ (
0.25
Rugosidadrel 5.74 + 0.9 log 3.71 ℜ
)]
2
f # =
!ramo D
[ ( log
0.25
0.00975976 5.74 + 0.9 3.71 8913.775742
)]
2
= 0.044370217
!ramo I% f # =
[ ( log
0.25
0.005630631 + 5.74 0.9 3.71 8913.775742
)]
2
=0.039799086
!ramo 6N f # =
[ ( log
0.25
0.005630631 + 5.74 0.9 3.71 8913.775742
)]
2
=0.039799086
&? *lculo de las caídas de presi4n te4ricas 2
f% v $ = 2 dig ∆ P& = $'
!ramo D 2
0.039799086 ∗1.5∗0.2990132 m/ s $ = 2∗0.02664 m∗9.81 m / s
∆ P& =0.011384932 m∗997.045
Kg f m
3
=0.011384932 m
=11.35128954
Kgf m
2
!ramo I% 2
0.039799086 ∗1.5∗0.2990132 m/ s $ = 2∗0.02664 m∗9.81 m / s
∆ P& = 0.01021203 m∗997.045
!ramo 6N
Kg f m
3
=0.01021203 m
=10.1818513
Kgf m
2
2
0.039799086 ∗1.5∗0.2990132 m/ s $ = 2∗0.02664 m∗9.81 m / s
∆ P& =0.01021203 m∗997.045
Kgf 3
m
=0.01021203 m
=10.1818513
Kgf 2
m
g? *lculo de las relaciones de caídas de presi4n' ∆P ∆P Kgf 24.106155 2 m (¿¿ P ) ( −) = =1.171428571 Kgf 20.578425 2 m (¿¿ P )C − #
¿ ¿ ∆P ∆P Kgf 175.68537 2 m (¿¿ P ) ( −) = =8.537357451 Kgf 20.578425 2 m (¿¿ P ) * − +
¿ ¿ ∆P ∆P Kgf 2 m (¿¿ & ) ( −) = =1.114855173 Kgf 10.1818513 2 m (¿¿ & )C − # 11.35128954
¿ ¿ ∆P ∆P Kgf 2 m (¿¿ & ) ( −) = =1 Kgf 10.1818513 2 m (¿¿ & ) * − + 10.1818513
¿ ¿
'*ea $e t&ber*a + acce,orio,
3? *lculo de la velocidad de =u>o en la tu:ería π 2 A = di 4
v=
Gv A
π 2 2 A = 0.01905 m =0.000285023 m 4
v=
l 0.001 m ( 10 min 1l
3
)(
1min ) 60 s 2
0.000285023 m
= 0.58474822
m s
i? *lculo de las caídas de presi4n pr*cticas para cada tramo de tu:o recto' ∆ P p= ∆ H ( ρm − ρ )
g gc
!ramo A# FJg?
(
)
9.81
m 2
Kg Kg s Kg f =112.940595 2 ∆ P p= 0.009 m 13546 3 − 997.045 3 m m 9.81 Kg −m m 2 Kgf − s
!ramo E$ Fl1?
(
9.81
)
m 2
Kg Kg s Kg f =55.26777 2 ∆ P p= 0.094 m 1585 3 −997.045 3 m m 9.81 Kg−m m 2 Kgf − s
!ramo (J FJg?
(
)
9.81
m 2
Kg Kg s Kg f =188.234325 2 ∆ P p= 0.015 m 13546 3 − 997.045 3 m m 9.81 Kg −m m 2 Kgf − s
!ramo OP Fl1?
(
)
9.81
m 2
Kg Kg s Kg f =49.38822 2 ∆ P p= 0.084 m 1585 3 −997.045 3 m m 9.81 Kg−m m 2 Kgf − s
>? *lculo de las caídas de presi4n en los codos 9 v*lvulas ∆P
¿ ¿ ¿ O− P ¿ ( ∆ P )accesorio =( ∆ P )manomero diferencial− % ¿
!ramo A# codos
(
)
( ∆ P )codos = 112.940595 Kgf −0.65 m 2 m
49.38822
Kgf 2
m =96.889423 5 Kg2f 2 meros m
!ramo E$ compuerta
(
)
Kg f ( ∆ P )compuer = 55.26777 2 −1.05 m m
49.38822
Kgf 2
m Kg f = 29.3389545 2 2 meros m
!ramo (J glo:o
(
)
Kg f ( ∆ P )glo,o = 188.234325 2 −0.3 m m
49.38822
Kgf 2
m Kg f =180.826092 2 2 meros m
? *lculo de la longitud e+uivalente a:soluta ( ¿ )accesorio =
( ∆ P )accesorio ( ∆ P )O− P 2m
!ramo A# codos
96.889423 5
Kg f 2
m (¿ ) =3.923584349 m codo = Kgf 49.38822 2 m 2m
!ramo E$ compuerta 29.3389545
Kg f 2
m ( ¿ )compuera = =1.188095238 m Kgf 49.38822 2 m 2m
!ramo (J glo:o 180.826092 ( ¿ )compuera =
i?
Kg f 2
m =7.322640581 m Kgf 49.38822 2 m 2m
*lculo de la longitud e+uivalente relativa F"eGdi? %ongiud e-uivalene relaiva =
( ¿ ) accesorio
di
!ramo A# codos %ongiud e-uivalene relaiva=
3.923584349
m
0.01905 m
=205.962433
!ramo E$ compuerta %ongiud e-uivalene relaiva =
1.188095238 m =62 . 3672041 0.01905 m
!ramo (J glo:o %ongiud e-uivalene relaiva=
7.322640581 0.01905 m
m
=384.3905817
OBSER-ACIONES Para la determinaci4n de la caída de presi4n en las tu:erías 9 accesorios de un sistema de =u>o de =uidos7 es necesario conocer principalmente las pérdidas de:ido a la &ricci4n' Durante esta determinaci4n se estudiaron segmentos rectos7 así como los distintos accesorios encontrados en el sistema7 inicialmente se estudi4 con un gasto volumétrico menor 9 se &ue ascendiendo el mismo para estudiar esta relaci4n entre la caída de presi4n7 las perdidas por &ricci4n 9 el gasto utili)ado' El en&o+ue principal en la experimentaci4n es la caída de presi4n por lo +ue antes de tomar esta di&erencia de presi4n es preciso reali)ar una purga en estos 9a +ue en estos pueden existir cantidades de aire o :ur:u>as del mismo +ue 3acen imprecisos estos datos' "a determinaci4n reali)ada tiene como principal inconveniente las &ugas a lo largo de todo el sistema7 estas al estar locali)adas en di&erentes puntos del sistema generan +ue el gasto inicial no se conserve7 lo +ue tam:ién provoca una caída de presi4n ma9or por lo +ue pese a las prevenciones tomadas para la experimentaci4n reali)ada se sugiere repetir esta determinaci4n en me>ores condiciones para tomar valores m*s precisos de este &en4meno'
AN)'ISIS DE RESU'TADOS "a determinaci4n de la caída de presi4n en tu:o recto así como los accesorios en nuestro dise.o del sistema de =uido son unos de los principales &actores +ue de:emos conocer7 de:ido a +ue estos son la oposici4n para el transporte de =uido7 9a +ue a nivel industrial se utili)an tu:erías para longitudes mu9 grandes lo +ue implica +ue en el dise.o seleccionemos un material +ue presente la menor caída de presi4n posi:le :as*ndonos en el tipo 9 la cantidad de =uido +ue transportemos' En esta pr*ctica se determin4 los valores de &ricci4n en la tu:ería recta 9 accesorios donde para generalmente las pérdidas de &ricci4n &ueron ma9ores en la tu:ería recta +ue en los accesorios cuando los =u>os se someten a gastos pe+ue.os7 es decir cuando el =u>o tiende a ser laminar7 en el caso opuesto cuando se tiene un =u>o tur:ulento las colisiones en los accesorios son ma9ores lo +ue provoca +ue las pérdidas en estos sean ma9ores +ue en la tu:ería FSiempre +ue sean longitudes pe+ue.as de tu:erías como en el caso de la pr*ctica?'
CONC'USIÓN umpliendo con los o:>etivos planteados en la pr*ctica7 determinamos estos valores para el sistema de =uido7 podemos deducir una relaci4n directa entre el gasto volumétrico empleado 9 las pérdidas por &ricci4n7 así como la caída de presi4n para di&erentes accesorios donde para tu:erías rectas se deduce una relaci4n inversamente proporcional entre el gasto volumétrico 9 la caída de presi4n7 9a +ue al tener gastos volumétricos pe+ue.os el tipo de =u>o tiende a ser laminar lo +ue implica +ue las pérdidas por &ricci4n sean considera:les de la misma &orma causa una caída de presi4n signicativa en comparaci4n a la causada en los accesorios' Por otro lado7 cuando el gasto es ma9or las pérdidas por &ricci4n en la tu:ería recta tienden a disminuir de:ido a +ue el tipo de =u>o tiende a ser totalmente tur:ulento 9 estas pérdidas son menores a las encontradas en los accesorios7 de:ido a las colisiones en los accesorios como puede ser un cam:io de direcci4n en un codo7 por lo +ue estas pérdidas por &ricci4n situadas en los accesorios generalmente crecen en gastos volumétricos ma9ores'
AS!RO -AE %OSSE"IN ARO"INA #i:liogra&ía
•
6ott7 R' F,;;
Mecánica de fuidos'
Estados Unidos5
