Informe Laboratorio De Mecanica De Fluidos 6c596i

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TABLA DE CONTENIDO PERDIDAS DE CARGAS LOCALES EN TUBERIA COMPETENCIAS FUNDAMENTO TEORICO OBJETIVOS EQUIPOS A UTIZAR EN EL ENSAYO GENERALIDADES ESPECIFICACIONES PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL TABLA DE RECOLECCION DE DATOS PROCEDIMIENTOS DE CALCULO CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1. COMPETENCIAS El alumno al desarrollar este laboratorio estra en condiciones de adquirir destreza en el uso de instrumentos y equipos.

2. FUNDAMENTO TEORICO 2.1 PERDIDA DE CARGAR LOCALES Los fluidos en movimiento o flujo interno forman parte básica actividades industriales, residenciales y comerciales.

para la producción de servicios dentro de las

La aplicación de la Ecuación de Bernoulli para fluidos reales, entre 2 secciones de un mismo tramo de tubería es:

Donde: Donde:  

hfp = es la sumatoria de perdidas primarias o longitudinales. hfs = Perdidas secundarias o, locales por rios.

Al hablar de pérdidas en tuberías, lleva a estudiar los flujos internos que sean completamente limitados por superficies sólidas con un grado de rugosidad según el material del cual están fabricadas.Este flujo es muy importante de analizar ya que permitirá diseñar las redes de tuberías y sus rios más óptimos. Las pérdidas de energía que sufre una corriente cuando circula a través de un circuito hidráulico se deben fundamentalmente a:  Variaciones de energía potencial del fluido.  Variaciones de energía cinética.  Rozamiento o fricción.

2.1 .1 PERDIDAS POR FRICCION Llamadas perdidas longitudinales o pérdidas por fricción, son ocasionadas por la fricción del fluido sobre las paredes del ducto y se manifiestan con una caída de presión. Empíricamente se evalúa con la formula de DARCY - WEISBACH:

2

Donde:    

L = longitud de la tubería. D = Diámetro de la tubería. V = velocidad media del flujo. f = factor de fricción de la tubería. De donde el factor de fricción de la tubería depende del Número de Reynolds ( Re ) y de la rugosidad relativa ( ε / D ) . Para esto se hace uso del Diagrama de Moody. Básicamente las Pérdidas primarias son directamente proporcionales a la longitud de la tubería.

2.1.2 PERDIDAS POR USO DE RIOS También conocidas como perdidas locales o puntuales, las cuales son originadas por una infinidad de rios que se ubican dentro de un sistema de tuberías, como por ejemplo : Válvulas, Codos, Niples, Reducciones, Ensanchamientos, Uniones universals, Etc. La expresión para evaluar las perdidas secundarias ( en metros de columna del fluido) es la siguiente :

Donde K es la constante para cada rio y depende del tipo de rio, material y diámetro.Luego la longitud equivalente será :

La longitud equivalente se puede hallar en manuales y libros. En el equipo FME-05 de pérdidas de carga local estudia las pérdidas de energía cinética de un fluido que circula por una tubería. Estas se deben principalmente a variaciones bruscas de velocidad causadas por:  Cambios bruscos de sección.  Perturbación del flujo normal de la corriente, debido a cambios de dirección provocadas por la existencia de un codo , curva , etc.  Rozamiento o fricción.

Las pérdidas de carga que sufre un fluido al atravesar todos los elementos expresada en metros del fluido , puede calcularse con la siguiente expresión :

3

Donde: K = coeficiente de pérdidas de carga. V= velocidad del fluido. ∆h = diferencia de altura manométrica. g= gravedad.

ENSANCHAMIENTO SUBIT O Al fluir un fluido de un conducto de menor a uno mayor a través de una dilatación súbita, su velocidad disminuye abruptamente, ocasionando una turbulencia que genera una pérdida de energía. La cantidad de turbulencia, y por consiguiente, la cantidad de pérdida de energía, depende del cociente de los tamaños de los dos conductos. La perdida menor se calcula de la ecuación:

(

)

Donde v1 es la velocidad de flujo promedio en el conducto menor que está delante de la dilatación. Al hacer ciertas suposiciones de simplificación respecto del carácter de la corriente de flujo al expandirse a través de una dilatación súbita, es posible predecir analíticamente el valor de k a partir de la siguiente ecuación:

*

( )+ = [

( ) ]

FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall

4

ENSANCHAMIENTO GRADU AL Si la transición de un conducto menor a uno mayor puede hacerse menos abrupta que la dilatación súbita de bordes cuadrados, la perdida de energía se reduce. Esto normalmente se hace colocando una sección cónica entre los dos conductos, como se muestra en la siguiente figura. Las paredes en pendiente del cono tienden a guiar el fluido la desaceleración y expansión de la corriente de flujo.

FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall La pérdida de energía para una dilatación gradual se calcula a partir de:

(

)

Donde v1 es la velocidad del conducto menor que está delante de la dilatación. La magnitud de K depende tanto de la proporción de diámetro D2 / D1 como del ángulo de cono, θ y D2 / D1. CONTRACCION SUBITA

La pérdida de energía debido a una contracción súbita, como la esbozada en la figura se calcula a partir de:

(

)

Donde v2 es la velocidad en la corriente hacia abajo del conducto menor a partir de la contracción. El coeficiente de resistencia K depende de la proporción de los tamaños de los dos conductos y de la velocidad de flujo, como se muestra en la figura.

5

FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall

CONTRACCION GRADUAL La pérdida de energía en una contracción puede disminuirse sustancialmente haciendo la contracción más gradual. La figura muestra una contracción de este tipo, formada mediante una sección cónica entre los dos diámetros con cambios abruptos en las junturas. El ángulo Ѳ se denomina ángulo de cono.

FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall

6



PÉRDIDAS DE CARGA EN ENSANCHAMIENTOS Y CODOS

Cualquier modificación en la forma geométrica de un conducto produce una pérdida de carga de carácter local cuando un fluido pasa a su través. Estas pérdidas de carga se denominan singulares. Este tipo de pérdidas singulares se producen, por ejemplo, en los casos del aumento de sección y del cambio de dirección (un codo). En el caso del ensanchamiento, estas pérdidas de carga son debidas a que el flujo se adapta a la nueva sección mediante una sucesión de remolinos, con lo que el exceso de energía cinética que hay en la sección 1 respecto a la que correspondería a la nueva sección 2, se disipa por la acción de la turbulencia. Es una situación equivalente a la de la zona posterior de la placa orificio (apartado anterior). En el caso de un codo brusco, la distribución transversal de velocidad deja de ser axis métrica (aumenta la velocidad en la zona del conducto más próxima al centro de curvatura), y nuevamente se produce una disipación de energía por remolinos turbulentos.Las pérdidas de carga secundarias, producidas en zonas localizadas de los conductos, se expresan en forma a dimensional por el denominado coeficiente de pérdidas, K.

 PÉRDIDAS PARA VÁLVULAS Y CODOS. Al igual que en los demás rios en estos se presentan perdidas de carga dependiendo en el caso de los codos si son codos cortos o los codos largos. El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una perdida de energía, que suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga. En el caso de tuberías horizontales, la perdida de carga se manifiesta como una disminución de presión en el sentido del flujo. La pérdida de carga está relacionada con otras variables fluido dinámicas según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento. Además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de los conductos), también se producen perdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, válvulas, etc. Factor de Fricción en régimen turbulento El régimen turbulento completamente desarrollado, Reynolds (Re) > 4000, ofrece una mayor dificultad para analizar el factor de fricción (f), ya que el esfuerzo cortante no tiene una expresión sencilla. Existen dos formas límites: Si la tubería es lisa, f es únicamente función del Re, y no depende de la rugosidad de la tubería. Si el flujo es altamente turbulento, Re muy altos, f depende únicamente de la rugosidad relativa de la tubería, siendo independiente del Re del fluido entre ambos casos, se deberá buscar una expresión que nos proporcione el valor de f.

3. OBJETIVOS     

7

Determinar experimentalmente las pérdidas que se producen en los rios. Determinar experimentalmente las constantes de perdida K L para cada rio y analizar su comportamiento con la variación de caudal. Conocer métodos prácticos para determinar las pérdidas localizadas. Determinar la variación de la pérdida de carga con el caudal. Estudiar y sintetizar los datos obtenidos en el ensayo de laboratorio con los datos que obtenemos apoyándonos en referencias bibliográficas, libros que usualmente utilizamos para estos ensayos.

4. EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO      

Banco hidráulico. Multímetro Equipo de perdida de cargas locales FME05 Nivel de mano Cronometro Termómetro probeta

5. GENERARLIDADES 5.1 DESCRIPCION DEL EQUIPO El equipo de perdidas locales, consiste en un circuito hidráulico dotado de una sucesión de elementos que provocan perturbaciones en el flujo normal del fluido que circula por la tubería, debido a variaciones de bruscas de sección, de dirección y rozamiento o fricción. Estos elementos son:     

Dos codos de 90 grados, uno corto y uno medio Una curva de 90° o codo largo Un ensanchamiento Un estrechamiento brusco de sección Un cambio brusco de dirección tipo inglete

El equipo dispone de dos manómetros tipo bourdon: 0-2.5bar, y de 12 tubos manométricos de agua presurizadas. La presurización del sistema se realiza con una bomba manual de aire. El circuito hidráulico dispone de tomas de presión a lo largo de todo el sistema, lo que permite la medición de las pérdidas de carga locales en el sistema. Este equipo dispone de dos válvulas de membrana, una válvula que permite la regulación del caudal de salida, y otra dispuesta en serie con resto de rios en el circuito hidráulico.

8

Equipo para determiner la perdida de cargar local en tuberias

Válvula de purga Válvula de membrana Válvula de control de caudal Tubos piezómetros

Parte posterior del equipo

6. ESPECIFICACIONES 1.

2.

3.

4.

9

Manómetros: a) Tipo bourdon:0 -2.5bar b) Manómetros diferenciales: 0-500mm Tuberías rígidas de PVC a) Diámetro interior: 25mm b) Diámetro exterior:32mm Tubería flexible a) Toma de presión- manómetro diferencia .diámetro exterior:10mm b) Presurizar equipo. Diámetro exterior :6mm c) Desagüe. Diámetro exterior :25mm Ensanchamiento

5. 6

a) Diámetro: 25/40 mm Estrechamiento(contratación) a) Diámetro : 25/40mm Válvulas a) De membrana: diámetro: 25mm b) Anti retorno: 6mm

7. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 7.1 PROCEDIMIENTO DE LLENADO DELOS TUBOS MANOMETRICOS 1. 2. 3. 4. 5.

nivelar el aparato sobre el banco hidráulico auxiliándose del nivel de mano y de los tornillos de soporte ajustables cierre la válvula de control de flujo de banco hidráulico(vc) y cierre la válvula de control de flujo del equipo (vcc) compruebe que la válvula de membrana del equipo FME05 está abierta. Compruebe que las válvulas que dan alas tubos manométricos y la del colector superior están abiertas. Conecte la bomba y habrá completamente la válvula (vcc). Simultáneamente habrá la válvula (vc). Espero unos minutos hasta que los tubos manométricos estén completamente llenos y que no queden burbujas de aire en su interior. 6. Verifique que las mangueras de coneccion atrás el estén libres de burbujas de aire. 7. Cierre (vc) y a continuación (vcc). este completamente seguro de que el equipo quede estancado, es decir que no salga ni entre agua. 8. Apague la bomba del banco. 9. Desconecte la válvula anti retorno y habrá la válvula de purga. 10. Habrá con cuidado la válvula (vcc), se puede observar como los tubos manométricos se llena de aire. 11. Una vez que el nivel requerido ha alcanzado (70-80mm) cierre (vcc) y conecte través la válvula anti retorno y cierre la válvula de purga. 12. Todos los tubos deben de haber alcanzado el mismo nivel.

7.2 PARA LOS RIOS ( CODO LARGO DE 90°, CURVA DE 90°, ENSANCHAMIENTO ESTRECHAMIENTO Y VALVULA DE MEMBRANA) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Cierre las válvulas 9-10 y 11-12 de los tubos manométricos correspondientes al codo corto y al inglete, con el fin de aislar dichos rios y alacanzar el ensayo con los demás rios. Alcanzado el nivel requerido de 70 u 80mm, encienda la bomba y vaya habiendo ligeramente la vlavula del banco hidráulico (vc), ala ves que va abriendo la valvula de control del equipo (vcc). Esto ha de hacerse muy suavemente para evitar que la medida se nos vaya de escala tanto superior como inferiormente. Una vez abierta completamente la valvula del banco hidráulico (vc), regule el caudal con la válvula de control del equipo (vcc). Anote las lecturas indicadas en los tubos manométricos asociados con los rios seleccionados en esta parte del ensayo y los valores que marque los manómetros de bourdon. Determine el caudal de agua, anotando todos estos valores. Repita los pasos anteriores variando el caudal mediante la acción combinada de cierre de las válvulas de control del equipo y del banco hidráulico.

Se muestra la tabla donde se va recolectar los datos

10

rios

caudal

codo largo de 90 ° ensanchamiento contracion codo corto de 90 ° valvula de membrana volumen tiempo lectura N°

H1

H2

H3

H4

H5

H6

H7

H8

M1 (bar)

M2 (bar)

litros

seg

1 2 3 4 5

7.3 PARA LOS RIOS (CODO CORTO DE 90°, INGLETE Y VALVULA DE MEMBRANA) 1.

2. 3. 4. 5. 6.

Cierre las válvulas 1-2, 3-4,5-6,7-8 de los tubos manométricos correspondientes al codo largo, ensanchamiento, contracción y codo medio con el fin de aislar dichos rios y realizar el ensayo con los demás rios. Cabe señalar que la válvula de membrana se ensaya en ambas partes del experimento. Encienda la bomba y vaya abriendo ligeramente la válvula del banco (vc), a la vez que va abriendo la válvula de control del equipo (vcc). La medida a la entrada de las válvulas de membrana nos dará el manómetro de bourdon de la izquierda y la salida nos dará el manómetro de bourdon de la derecha. Una vez abierta completamente la válvula del banco hidráulico, regule el caudal con la válvula de control. Anote los valores de las lecturas indicadas en los tubos manométricos asociados con los rios manométricos seleccionados en esta parte del ensayo, y los valores que marque los manómetros de bourdon. Determine el caudal de agua, anotando todos estos valores.

8. TABLA DE RECOLECCION DE DATOS Esta es la tabla donde recolectamos los datos del ensayo rios codo largo de 90 °

ensanchamient o

contracion

codo medio de 90 °

inglete

válvula de membrana

volume n

tiemp o

lectura N°

H1

H2

H3

H4

H5

H6

H7

H8

H9

H10

H1 1

H1 2

M1 (bar)

M2 (bar)

litros

seg

1

486

474

474

478

479

458

457

450

439

425

194 175

0.65

0.64

0.86

3.83

2

302

294

299

296

296

284

286

282

278

269

203 190

0

0

0.87

5.36

3

400

388

385

392

393

372

372

365

354

340

242 218

0.2

0.2

0.89

4.01

4

410

398

397

402

402

377

378

371

359

342

81

54

0.13

0.11

0.6

2.63

5

487

472

472

477

478

446

446

437

422

399

71

37

0.41

0.4

0.865

3.3

8.1 PROCEDIMIENTO DE CALCULO a)

Determine el valor de H= He-Hs.

b) Calcular el caudal

11

caudal codo corto de 90 °

c) d) e) f)

Determinar las áreas en cada uno de los rios. Con el caudal y el área determinar las velocidades de flujo. Calculada la velocidad de flujo, determinar la energía cinética. Calcular el valor de K para cada rio

DESARROLLO Y CALCULO DE RESULTADOS

Algunos datos adicionales del equipo se muestra en la siguiente tabla

volumen

tiempo

diametro ext

0.032

v 0.86 0.87 0.89 0.6 0.865

t 3.83 5.36 4.01 2.63 3.3

diametro int

0.025

diamtro ensan dimetro

0.04 0.025

En las tablas siguientes se muestra, los cálculos obtenidos en Excel. En la cual se hizo por separado de cada rio 1 CALCULOS PARA CODO LARGO

LECTURA N° 1 2 3 4 5

CODO LARGO 90° h1 h2 (m.c.a) 486 302 400 410 487

(m.c.a) 474 294 388 398 472

Dh

Q

(m.c.a) 12 8 12 12 15

m3/seg 0.000224543 0.000162313 0.000221945 0.000228137 0.000262121

CAlCULOS A m2 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874

V m/seg 0.45743541 0.33066221 0.45214292 0.46475664 0.53398895

V2/2*g

K

(m.c.a) adimensional 0.01066499 1.125176601 0.00557276 1.435555084 0.01041963 1.151671921 0.01100911 1.090006387 0.01453334 1.032109378

2 CALCULOS PARA ENSANCHAMIENTO

LECTURA N° 1 2 3 4 5

12

Ensanchamiento h1 h2 (m.c.a) 474 294 388 397 472

(m.c.a) 478 296 392 402 477

Dh

Q

(m.c.a) 4 2 4 5 5

m3/seg 0.000224543 0.000162313 0.000221945 0.000228137 0.000262121

CAlCULOS A m2 0.001256637 0.001256637 0.001256637 0.001256637 0.001256637

V m/seg 0.17868571 0.12916493 0.17661833 0.18154556 0.20858943

V2/2*g

K

(m.c.a) adimensional 0.00162735 2.45798579 0.00085034 2.35201345 0.00158991 2.515865701 0.00167986 2.976444107 0.00221761 2.254677341

3 CALCULOS PARA RIO DE CONTRACION

LECTURA N°

1 2 3 4 5

Contraccion h1 h2

Dh

Q

CAlCULOS A

V

V2/2*g

K

(m.c.a) (m.c.a) (m.c.a) m3/seg m2 m/seg (m.c.a) adimensional 474 458 16 0.000224543 0.000490874 0.45743541 0.01066499 1.500235468 296 264 32 0.000162313 0.000490874 0.33066221 0.00557276 5.742220337 393 372 21 0.000221945 0.000490874 0.45214292 0.01041963 2.015425862 402 377 25 0.000228137 0.000490874 0.46475664 0.01100911 2.27084664 478 446 32 0.000262121 0.000490874 0.53398895 0.01453334 2.201833341

4 CALCULOS PARA RIO DE CODO MEDIO

LECTURA Codo medio de 90° N° h1 h2

Dh

Q

(m.c.a) 457 286 372 378 446

(m.c.a) 7 4 7 7 9

m3/seg 0.000224543 0.000162313 0.000221945 0.000228137 0.000262121

1 2 3 4 5

(m.c.a) 450 282 365 371 437

CAlCULOS A m2 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874

V m/seg 0.45743541 0.33066221 0.45214292 0.46475664 0.53398895

V2/2*g

K

(m.c.a) adimensional 0.01066499 0.656353017 0.00557276 0.717777542 0.01041963 0.671808621 0.01100911 0.635837059 0.01453334 0.619265627

5 CALCULOS PARA RIO DE CODO CORTO

LECTURA N° 1 2 3 4 5

13

Codo Corto de 90° h1 h2 (m.c.a) 439 278 354 359 422

(m.c.a) 425 269 340 342 399

Dh

Q

(m.c.a) 14 9 14 17 23

m3/seg 0.000224543 0.000162313 0.000221945 0.000228137 0.000262121

CAlCULOS A m2 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874

V m/seg 0.45743541 0.33066221 0.45214292 0.46475664 0.53398895

V2/2*g

K

(m.c.a) adimensional 0.01066499 1.312706034 0.00557276 1.61499947 0.01041963 1.343617241 0.01100911 1.544175715 0.01453334 1.582567714

6 CALCULOS PARA RIO INGLETE

LECTURA N°

1 2 3 4 5

Inglete h1 h2

Dh

CAlCULOS A

Q

V

V2/2*g

K

(m.c.a) (m.c.a) (m.c.a) m3/seg m2 m/seg (m.c.a) adimensional 194 175 19 0.000224543 0.000490874 0.45743541 0.01066499 1.781529618 203 190 13 0.000162313 0.000490874 0.33066221 0.00557276 2.332777012 242 218 24 0.000221945 0.000490874 0.45214292 0.01041963 2.303343842 81 54 27 0.000228137 0.000490874 0.46475664 0.01100911 2.452514371 71 37 34 0.000262121 0.000490874 0.53398895 0.01453334 2.339447924

7 CALCULOS PARA VALVULA DE MEMBRANA

LECTUR A N°

Valvula de menbrana h1 h2

CAlCULOS Dh

Q

A

V

V2/2*g

K

m3/seg

m2

m/seg

(m.c.a)

0.00022454 3 0.00016231 3 0.00022194 5 0.00022813 7 0.00026212 1

0.00049087 4 0.00049087 4 0.00049087 4 0.00049087 4 0.00049087 4

0.4574354 1 0.3306622 1 0.4521429 2 0.4647566 4 0.5339889 5

0.0106649 9 0.0055727 6 0.0104196 3 0.0110091 1 0.0145333 4

adimensiona l 0.00093764 7 0

(m.c.a)

(m.c.a)

1

0.65

0.64

(m.c.a ) 0.01

2

0

0

0

3

0.2

0.2

0

4

0.13

0.11

0.02

5

0.41

0.4

0.01

0 0.00181667 7 0.00068807 3

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  Se puede deducir que la mayor pérdida de carga en rios se da en las válvulas y la menor perdida de carga se da en los ensanchamientos de las tuberías.  Se comprobo experimentlamente que es imposible evitas las perdidas de carga, esto por motivos de los rios, energia potencial y la friccio

 De acuerdo a los procedimientos podemos deducir que los datos obtenidos si están en concordancia con los datos que nos brindan los libros o textos.Que el experimento o laboratorio hecho nos permite tener un concepto más claro y aplicativo de cómo encontrar las perdida de carga

14

10. ANEXOS Aquí se mustran algunas de los mementos del ensayo, en el laboratorio

En la imagen muestra las diferentes caudales que producen las perdidas de cargas en los casos estudiados

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BIBLIOGRAFÍA

Primera referencia. El texto empieza en el margen izquierdo de la hoja. El espaciado es doble. Cuando la entrada tenga más de una línea, se aplica automáticamente sangría a la segunda línea. Referencias adicionales.

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