PRÁCTICA 1: PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN TUBERÍAS Y ACCESORIOS Facultad de Ingeniería, Depto. de Ingeniería Química y ambiental Laboratorio de fluidos sólidos sólidos y transferencia de calor calor Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
Fecha de práctica: 4 de Marzo de 2014 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN Cuando un fluido corre por una tubería ocurren pérdidas de energía provocadas por la fricción del líquido y la superficie interna (paredes), en el caso de tuberías largas las perdidas por fricción son significativas y representan disminución de la presión (perdida de carga). Por ello el problema de investigación investigación radica en identificar, identificar, analizar y calcular las pérdidas por fricción fricción que los diferentes diferentes arreglos y/o accesorios provocan en un sistema de tuberías pues estos representan en últimas gastos económicos.
2. JUSTIFICACIÓN Entre las funciones de un ingeniero químico se encuentra el manejo de caudales y el modelamiento de sistemas con tuberías cerradas, ya que el desplazamiento de fluidos por medio de estas, se encuentra en un nivel universal y pueden verse en cualquier planta piloto o industrial. Por lo tanto, a la hora de establecer un análisis de costos, acerca del mantenimiento de dichas plantas, en las que se desempeñan los ingenieros químicos, es importante saber cuánta energía debe gastarse para llevar a cabo las operaciones de transporte de fluidos y cuanta energía se pierde a causa de la fricción por los accesorios de las tuberías.
OBJETIVOS
Deducir que posibles objetos de medición o que parte del equipo de medición de pérdidas por fricción inducen a un mayor error experimental. Buscar las posibles causas de
la desviación de datos de la teoría en factores como el
deterioro, calibración u otros posibles factores, determinando el coeficiente de fricción en la tubería sin accesorios
1
[email protected] [email protected]. co cód.:244967 cód.:244967 2
[email protected] cód.: 244832 3
[email protected] cód.: 244721
Conocer acerca de las fallas más comunes en la medición de las perdidas por fricción en una tubería, que se puedan presentar durante la experiencia, e identificarlas para que en ensayos futuros se puedan tener en cuenta en caso de error.
Aprender por medio de la experiencia que tipos de tuberías, uniones, y válvulas existen, y saber cuál utilizar basándose en la rentabilidad energética, y en la aplicación de la misma. Identificar las diferencias entre los sistemas experimentales y los teóricos, para poder tener conciencia de las suposiciones que deben tomarse, a la hora de establecer un modelo matemático, y comprender toda complicación que pueda presentarse en los sistemas experimentales para así identificar la falla.
3. MARCO TEÓRICO1
Las pérdidas por fricción se dividen en dos categorías: a) aquellas por esfuerzos cortantes en la pared y b) las perdidas menores debidas a los componentes de la tubería, como válvulas, tés, codos, reductores o cualquier otro dispositivo que provoque una perdida en el sistema. Como punto de partida se tiene la ecuación general de energía
Donde
= energía que posee el fluido por unidad de peso.
= energía agregada al fluido por un dispositivo mecánico =energía removida
=energía de perdidas por fricción o perdidas menores
Para expresar la perdida de carga hidrostática en un flujo desarrollado a través de un tubo por medio de la ecuación general de energía y el factor de fricción se tiene:
Conocida como la ecuación de Darcy-Weisbach, que tiene L: longitud de corriente, D: diámetro tubería, V: la velocidad promedio y donde si se conoce el factor de fricción (f) se puede halla la perdida de carga hidrostática y luego la caída de presión. De igual manera
se suele expresar como:
Siendo K el coeficiente de pérdida para accesorios, de forma que se pueden encontrar en Tabla 2. Ahora bien el factor de fricción (f) se evalúa dependiendo del régimen en el que se encuentre el fluido. 2
El número de Reynolds (Re) es la relación entre la fuerza inicial y la fuerza viscosa, por tanto en tramos largos de tubería donde el área de contacto es mayor los efectos viscosos predominan sobre las fuerzas inerciales. Así que las pérdidas por fricción se verán influenciadas por el tipo de flujo que presente el sistema, ya sea laminar o turbulento, es aquí donde el número adimensional (Re) permite establecer el comportamiento del flujo como:
Donde V es la velocidad, D el diámetro, ρ la densidad y µ la viscosidad. Con Re < 2000 en un tubo es régimen laminar y suficientemente mayores Re >4000 indica un régimen turbulento. Asi que reconocido el régimen se pueden aplicar las siguientes expresiones
O si se desea gráficamente a través del diagrama de Moody.
Tabla 1. Valores aproximados de "K".
VALORES DEL COEFICIENTE K EN PÉRDIDAS SINGULARES Accidente
K
L/D
Válvula esférica (totalmente abierta)
10
350
Válvula en ángulo recto (totalmente abierta)
5
175
Válvula de seguridad (totalmente abierta)
2,5
-
Válvula de retención (totalmente abierta)
2
135
Válvula de compuerta (totalmente abierta)
0,2
13
Válvula de compuerta (abierta 3/4)
1,15
35
Válvula de compuerta (abierta 1/2)
5,6
160
Válvula de compuerta (abierta 1/4)
24
900
Válvula de mariposa (totalmente abierta)
-
40
T por salida lateral
1,8
67
Codo a 90º de radio corto (con bridas)
0,9
32
Codo a 90º de radio normal (con bridas)
0,75
27
Codo a 90º de radio grande (con bridas)
0,6
20
Codo a 45º de radio corto (con bridas)
0,45
-
Codo a 45º de radio normal (con bridas)
0,4
-
Codo a 45º de radio grande (con bridas)
0,35
-
4. METODOLOGÍA DE TRABAJO2 4.1 Diagrama de flujo 3
Pérdidas por fricción en tuberías y accesorios
Registro de la temperatura del agua
Abrir la válvula de salida del tanque con agua
Verificar que las demás válvulas estén cerradas
Elegir el rotámetro y abrir su válvula correspondiente
Prender la bomba
Abrir la válvula de la tubería a ensayar: tubería lisa
Definir el valor mín. y máx. de flujo que pueda registrar un cambio de presión.
Calibración rotámetro
Mediciones de pérdidas por fricción
Tomar diez lecturas registrando tiempo y volumen
Tomar diez lecturas registrando rotámetro y presión
Cerrar válvulas y apagar la bomba
4.2 Procedimiento
4
1. Abrir la válvula de salida de la tubería de prueba junto a la del manómetro de mercurio, teniendo presente que las demás estén cerradas. 2. Abrir la válvula del rotámetro que se escogerá para medir el flujo. 3. Encender la bomba centrifuga y abrir lentamente la válvula con la cual se controlara el caudal. Seleccionar el flujo máximo en base al límite sugerido en el manómetro. 4. Tomar 10 lecturas para cada tubería variando el caudal haciéndolo disminuir lentamente. 5. Para cambiar el arreglo de tubería abrir las válvulas de la tubería próxima a ensayar, cerrando las de la tubería ya ensayada. 6. Al terminar cerrar lentamente la válvula de control de flujo y apagar la bomba.
4.3 Materiales
Tanque de almacenamiento de agua Bomba centrífuga Rotámetro y válvula de control de flujo Termómetro / manómetro de mercurio Cronómetro Probeta Equipo para la determinación de pérdidas por fricción en tuberías y accesorios: Tuberías de prueba con diferentes tipos de accesorios.
5. DESCRIPCIÓN Y DIAGRAMA DE EQUIPOS El equipo está constituido por una bomba acoplada a tramos de tuberías, estas tuberías se encuentras conectadas por diferentes accesorias descritos en la tabla 1., también se cuenta con un tanque para la eliminación y recirculación del líquido, un medidor de presión, un rotámetro para la medición de flujo y válvula de control de flujo. Para todas las tuberías el diámetro es de: 0,527 pulgadas.
Tabla 2. Lista de accesorios presentes en las tuberías de prueba 5
N° tubería
Accesorios
Cantidad
Longitud (m)
1
Codos de 45º
16
4.71
2
Sin accesorios
-
4.23
3
Codos en U
3
21.6
4
Codos en U
32
9.1
5
Válvulas de globo
5
3.96
6
Válvulas de compuerta
5
4.02
7
T como unión
16
4.03
8
T como codo
16
6.46
9
Codos radio corto
16
6.47
10
Codos radio largo
16
6.34
Grafica 1: Equipo para la determinación de pérdidas en tubería: Laboratorio LIQ Bogotá
6. OBTENCIÓN Y MANEJO DE DATOS 6
6.1 Datos a obtener experimentales y teóricos:
Para cada tubería se consulta la densidad y viscosidad del fluido de acuerdo a la temperatura de cada ensayo. Para cada tubería y ensayo se hace una lectura del rotámetro, Presión de entrada y Presión de Salida. Para cada tubería se determina el caudal en m 3/s, y se divide por el área de la tubería para tener la velocidad. Con los datos de las propiedades físicas, el caudal y la velocidad se calcula el número de Reynolds para cada tubería y cada ensayo. Tome el diámetro y la longitud de la tubería.
6.2 Tratamiento de datos Inicialmente se calcula la perdida de carga total, suponiendo que la altura y la velocidad entre la entrada y la salida de la tubería no cambian, con la siguiente formula:
Donde el
Siendo
se puede hallar con la fórmula:
la diferencia de alturas en el manómetro expresada en [m], g la gravedad en [m/s 2]
Una vez Calculado
, para cada ensayo y tubería se calcula el Numero de Reynolds y se
grafica en escala logarítmica
contra
y se enumera.
Para la tubería lisa o tubería sin accesorios se calculan las perdidas por fricción por unidad de longitud, siguiendo la siguiente fórmula:
Una vez Calculado
()
grafica en escala logarítmica Una vez calculado
, para cada ensayo y tubería se calcula el Numero de Reynolds y se contra
y se enumera.
, se procede a calcular el factor de Fanning con la siguiente ecuación:
Así para cada ensayo se puede calcular f, y hacer la gráfica en escala logarítmica f contra Re.
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Para las tuberías restantes, las perdidas por accesorios se determinan así:
( ) El número de diámetros al que equivale cada accesorio se determina:
Donde n es el número de accesorios y D el diámetro de la tubería. Con los datos anteriores se grafica en escala decimal L/D contra Re.
7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Se contabilizará el tiempo a partir del inicio de la actividad práctica. Tabla 3: cronograma de actividades práctica de pérdidas por fricción
Cronograma de actividades Tiempo (mín)
Actividad
5
Registro equipo, solicitud material de trabajo
15
Calibración equipos
120
Medición de pérdidas por fricción en cada tipo de tubería y registro de datos
5 5
Limpieza y orden Devolución y entrega de equipo
8. RESULTADOS Y PRODUCTOS ESPERADOS
Se espera que la tubería que presente menores caídas de presión y perdidas de energía por fricción sea la tubería lisa sin accesorios, ya que los accesorios suponen una mayor fricción, por consiguiente mayor resistencia al flujo. Se espera que en una comparación de las perdidas por fricción de las tuberías en U y la tubería de 45°, la tubería en U, presente mayores resultados, debido a que se espera un choque más directo del agua. De la tubería de 90° se espera que tenga perdidas de energía que se encuentre entre las que indican, las tuberías de 45° y la tubería en U. Comparando las tuberías que poseen válvulas de globo y válvulas de compuertas se espera que las válvulas de globo, tengan una mayor pedida por fricción, ya que esta las válvulas de globo presentan dos cambios de dirección al atravesarlas, por otro lado, la válvulas de compuerta no presenta cambios de dirección y su caída de presión se atribuye más a las hendiduras y la forma característica de éstas.
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9. PRESUPUESTO ESTIMADO Tabla 4: Costos estimados de la práctica de laboratorio
Costos de práctica: Pérdidas por fricción Agua Energía eléctrica Personal Alquiler equipo
0,08 m^3
$
350,00
0,9 W/H
$
1000,00
SMLV/día $ 20.533,33 4 horas $ 100.000,00
Total
$ 121.833,00
11. BIBLIOGRAFÍA 1
Merle C. Potter, David C. Wiggert . Mecánica de fluidos. Tercera edición. Thomson. 2002. págs. 128, 270284 2
GOODING GARAVITO Néstor. Operaciones Unitarias I Manual de Prácticas. Bogotá. Universidad Nacional de Colombia- Facultad de Ingeniería. 2009. 3
Perry, R. H., Chilton, C. H. & Kirkpatrick, A. S. D., 1973. Chemical Engineer’s Handbook. 5a. Edición ed. Nueva York: McGraw-Hill
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