UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO:

HIDRAHULICA DE CANALES Y TUBERIAS.

TEMA:

PRÁCTICA BANCO DE PERDIDA ENERGIA.

DOCENTE:

Ing. MANUEL FERNANDEZ VARGAS

ALUMNOS:

ACUÑA VERA, SMITHCONDORI MONTERO, AntoniCRUZADO RUIZ, Víctor. LAYZA OSORIO, Manuel.MARIN CABRERA, Elder.

CAJAMARCA 16 DE octubre de 2015

ÍNDICE

1. OBJETIVOS................................................................................................................................

Objetivo General......................................................................................................................................

Objetivos específicos...............................................................................................................................

1. RESUMEN..................................................................................................................................

2. MARCO TEÓRICO.....................................................................................................................

Teorema de Bernoulli. Ecuación de la energía.............................................................................

Accesorios..................................................................................................................................

3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS..................................................................................

Materiales:....................................................................................................................................

Equipos:.......................................................................................................................................

4. PROCEDIMIENTO.....................................................................................................................

PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO:.....................................................................................

PROCEDIMIENTO EN GABINETE:.............................................................................................

5. PANEL FOTOGRÁFICO.............................................................................................................

1. OBJETIVOS

Objetivo General

Obtener el coeficiente “K” de los accesorios a partir de los datos obtenidos en el laboratorio de hidráulica (Banco de pérdidas en tuberías.)

Objetivos específicos

Realizar la practicidad en laboratorio para calcular el coeficiente del accesorio

Analizar la magnitud de las pérdidas en tuberías y accesorios.

Describir los diferentes tipos de pérdidas (Hf,Hl) que se presentan en los diversos sistemas de tuberías.

conocer el comportamiento variable de los fluidos a través de las tuberías.

1. RESUMEN

Actualmente existe una gran diversidad de procesos industriales que emplean grandes

sistemas de tuberías, de las cuales podemos destacar el transporte de agua. En razón de

ello, se han construido complejos sistemas de redes de tuberías, a gran escala, los que

han crecido se han automatizado cada vez más en los últimos años. La operación segura

de estos sistemas es primordial debido a que se trata de un elemento vital y valioso. Sin

embargo, y a pesar de todas las medidas de precaución que se tomen, siempre existe la

posibilidad de pérdidas por diversos factores, tal es el caso de la constante”K”.

Siendo el curso de Hidráulica de Canales y tuberías de naturaleza teórico-práctico, se

realizó el día 12 de octubre del presente año la práctica relacionada con la conducción de

agua atreves de conductos de presión(banco de pérdidas de energía) en el laboratorio de

hidráulica de la Universidad Privada del Norte, para de esta manera determinar el valor

dela constante “k” de los accesorios, tubería de PVC y hierro galvanizado, para ello es

necesario tomar datos del fabricante las cual se puede observar en la tuberías y

accesorios, también es necesario tomar nota de los longitudes de las tuberías que existe

entre accesorios y la cantidad de accesorios, ambas de tienen un diámetro de 1 pulgada a

través de los equipos existentes en el laboratorio de hidráulica, específicamente en el

equipo que tiene que ver con pérdidas de energía (Banco de pérdidas de

Energía).iniciamos tomando el volumen inicial, final, tiempo y altura para cada una de las

dos tuberías de mismo diámetro, Posteriormente en gabinete se calcula las variables

necesarias para la determinación del valor de “k”.

2. MARCO TEÓRICO Teorema de Bernoulli. Ecuación de la energía

La forma más conocida del teorema de Bernoulli es

v2

2∗g+ p

y+z=¿ constante

Rocha Felices, A. (1975). Hidráulica de tuberías y canales.

La suma de los tres términos es constante a lo largo de una línea de corriente en un movimiento permanente e irrotacional (para un fluido ideal). Cada uno de los tres términos tiene las dimensiones de una energía por unidad de peso del fluido.

Figura1: teorema de Bernoulli

Al primer término v2/ 2g, se le conoce con el nombre de energía de velocidad o energía cinética y representa la altura desde la que debe caer libremente un cuerpo, que parte del reposo, para adquirir la velocidadv .Los otros dos términos son la altura de presión y la elevación. Su suma representa la energía potencial y constituye la cota piezométrica. El teorema de Bernoulli significa que para una línea de corriente la suma de la energíaCinética y la potencial es constante. En una tubería o en un canal cada línea de corriente tiene un valor propio para la suma de Bernoulli. Su representación gráfica a lo largo de una línea de corriente es la siguiente En un fluido ideal, (es decir sin viscosidad), la

energía E en 1 es igual a la energía en 2. Para un fluido real habría una pérdida de energía entre 1 y 2. En realidad no es energía perdida, sino transformada en calor debido a la fricción. La ecuación de la energía para un fluido real es entonces. Rocha Felices, A. (1975). Hidráulica de tuberías y canales.

v12

2∗g+ p1

y+ z1= v12

2∗g+ p1

y+z 1+hf (1−2 )

O bien,

E1=E2+hf (1−2)

V es la velocidad de la corriente, p la presión, z la elevación con respecto a un plano horizontal de referencia (los subíndices 1 y 2 corresponden a cada una de las dos secciones consideradas), γ es el peso específico del fluido, g la aceleración de la gravedad.

E es la energía total, f1−2 h es la disipación (pérdida) de energía entre las secciones 1 y 2. En un flujo paralelo se tendrá que la energía potencial (presión más elevación) es constante para toda la sección transversal. La diferencia de energía entre una línea de corriente y otra se debe a la variación de la velocidad. En un flujo paralelo la distribución de presiones es hidrostática.

CONCEPTO DE PÉRDIDA DE CARGA. LÍNEA DE ENERGÍA Y LÍNEA PIEZOMÉTRICA.

Sea una tubería de sección variable como la mostrada en la Figura 2.1. Si aplicamos la ecuación de la energía entre las secciones 1 y 2 se tiene

Figura 2.1 Ecuación de la energía en una tubería

a1v12

2g+ p1

y+z1=a2

v12

2∗g+ p1

y+z2+∑ hf (1−2 )

Es decir, que al pasar de 1 a 2 hay una parte de la energía que “se pierde”: que no se transforma en presión, velocidad o elevación. Es la energía consumida en forma de fricción y que denominamos hf pérdida de energía o pérdida de carga.Para el movimiento uniforme, la sección transversal es invariable, por lo tanto la velocidad también lo es y la energía de velocidad es constante

a1v12

2g=a2

v 22

2g

Entonces, la ecuación de la energía es simplemente

p1y

+z1= p1y

+z 2+∑hf (1−2 )

A la línea que resulta de unir las elevaciones a las que sube el líquido en una serie de piezómetros instalados a lo largo de la tubería se le denomina línea piezométrica o línea de gradiente hidráulica (L. P.). Si en cada sección se adiciona a la cota piezométrica el valor correspondiente a la energía de velocidad se obtiene la línea de energía. En el movimiento uniforme la línea de energía y la línea piezométrica son paralelas.Con respecto a la línea de gradiente o piezométrica conviene ordenar los siguientes conceptosa) La línea de gradiente indica por medio de su altura sobre el eje de la tubería la presión en cualquier punto de ella.b) En una tubería, o en tuberías de igual rugosidad y diámetro, cuanto mayor es la pendiente o inclinación de la línea de gradiente tanto mayor será la velocidad del fluido.c) La línea de gradiente hidráulica indica por su descenso vertical la energía perdida entre dos secciones (para el movimiento uniforme).d) La gradiente hidráulica es recta para tuberías rectas de sección transversal constante y para tuberías cuya longitud sea aproximadamente igual a la línea que une sus extremos.La línea de energía siempre desciende en la dirección del escurrimiento, salvo que se coloque una bomba.La línea de gradiente hidráulica no siempre desciende en la dirección del escurrimiento.La línea de energía y la de gradiente coinciden con la superficie libre para un líquido en reposo. Tal sería el caso de un estanque.En la ecuación de la energía se ha designado como Σ f1−2 h a la suma de todas las pérdidas de carga (de energía) que ocurren entre 1 y 2.Estas pérdidas de carga son fundamentalmente de dos tipos: continuas y locales.Las pérdidas de carga continuas se deben a la fricción y se calculan por medio de la fórmula de Darcy. Rocha Felices, A. (1975). Hidráulica de tuberías y canales.

h f = fLv2

D 2g

Las pérdidas de carga locales dependen de las características de cada singularidad, válvula, codo, etc.; y en el apartado 4.3 se presentarán sus valores.

Pérdidas de carga locales (flujo turbulento)

En una tubería las pérdidas de carga son continuas y locales. Las pérdidas de carga continuas son proporcionales a la longitud, se deben a la fricción y se calculan por medio de la fórmulade Darcy.Las pérdidas de carga local o singular ocurren en determinados puntos de la tubería y se deben a la presencia de algo especial que se denomina genéricamente singularidad: un codo, una válvula, un estrechamiento, etc.En la figura 3 se observa una tubería mostrando la línea de energía y la súbita caída que experimenta como consecuencia de una singularidad, que produce una pérdida de carga local a la que designamos como hloc. Rocha Felices, A. (1975). Hidráulica de tuberías y canales.

Figura 3 Pérdida de carga local Las pérdidas de carga locales se expresan genéricamente en función de la altura de velocidad en la tubería

h loc=Kv2

2g

Expresión en la que h loc es la pérdida de carga local expresada en unidades de longitud, K es un coeficiente adimensional que depende de las características de la singularidad que genera la pérdida de carga (codo, válvula, etc) así como del número de Reynolds y de la rugosidad, V es la velocidad media en la tubería.A las pérdidas de carga locales también se les denomina pérdidas menores. Esto en razón que en tuberías muy largas la mayor parte de la pérdida de carga es continua. Sin embargo en tuberías muy cortas las pérdidas de carga locales pueden ser proporcionalmente muy importantes.Analizaremos las principales pérdidas locales en flujo turbulento.

A. Entrada o embocaduraCorresponde genéricamente al caso de una tubería que sale de un estanque

A la entrada se produce una pérdida de carga h loc originada por la contracción de la vena líquida. Su valor se expresa por,

h loc=Kv2

2g

Expresión en la que V es la velocidad media en la tubería.El valor de K está determinado fundamentalmente por las características geométricas de la embocadura. Las que se presentan más frecuentemente son:

a) Bordes agudos

b) Bordes ligeramente redondeados ( r es el radio de curvatura)

En este caso el valor de K depende de la relación r /D. El valor 0,26 corresponde a una relación de 0,04. Para valores mayores de r /D, K disminuye hasta llegar a 0,03 cuando r /D es 0,2.

c) Bordes acampanados (perfectamente redondeados). El borde acampanado significa que el contorno tiene una curvatura suave a la que se adaptan las líneas de corriente, sin producirse separación.

d) Bordes entrantes (tipo Borda)

Los valores aquí presentados para K son valores medios, que pueden diferir según las condiciones de las experiencias realizadas. Se observa que los valores sólo se hacen depender da las características geométricas y no del número de Reynolds o de la rugosidad.En una conducción normalmente se desea economizar energía. Conviene entonces dar a estas entradas la forma más hidrodinámica posible. A modo de ejemplo cabe indicar que para una velocidad media de 2,5 m/s en una tubería la pérdida de carga es de 0,159 m si la entrada es con bordes agudos y sólo 0,013 m, si la entrada es acampanada. Rocha Felices, A. (1975). Hidráulica de tuberías y canales.ccesor ios :

Válvulas (compuerta, Esfera, globo, mariposa, check, aguja).

Accesorios

CODOS. Son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección del flujo de las líneas tantos grados como lo especifiquen los planos o dibujos de tuberías. Los codos estándar son aquellos que vienen listos para la pre-fabricación de piezas de tuberías y que son fundidos en una sola pieza con características específicas y son: Codos estándar de 45°, Codos estándar de 90°, Codos estándar de 180°.

TE. Son accesorios que se fabrican de diferentes tipos de materiales, aleaciones, diámetros y se utiliza para efectuar fabricación en líneas de tubería.

REDUCCION. Son accesorios de forma cónica, fabricadas de diversos materiales y aleaciones. Se utilizan para disminuir el volumen del fluido a través de las líneas de tuberías. 

VALVULAS. Es un accesorio que se utiliza para regular y controlar el fluido de una tubería. Esteproceso puede ser desde cero (válvula totalmente cerrada), hasta de flujo (válvula totalmenteabierta), y pasa por todas las posiciones intermedias, entre estos dos extremos.

VÁLVULA DE COMPUERTA .Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total.

3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

Materiales:

Cuaderno de notas: Cronómetro: Cámara Digital: Equipo banco de pérdidas de energía. Wincha.

Equipos:

Red de impulsión : La red de impulsión está conformada por tramos de tubería de 6” de diámetro con uniones por medio de bridas, va desde el tanque subterráneo hasta el tanque elevado y su color distintivo es azul oscuro.

Red de conducción o distribución : La red de conducción está conformada una tubería de acero de 6” de diámetro con uniones por medio de bridas, va desde el tanque elevado hacia el canal de pendiente variable y hacia el tanque de modelos. Su color distintivo es azul claro.

Red de desagües : La red de desagües son tuberías de PVC, las cuales controlan el rebose de los tanques del laboratorio.

Tanque subterráneo : Este tanque es un receptáculo construido en concreto y ubicado en la parte baja del edificio del laboratorio que dispone de un volumen de 34.5m3 para la alimentación hidráulica del laboratorio. El llenado inicial del tanque es realizado a través de la red principal de acueducto de la universidad, en un tiempo aproximado de 3 horas. El tanque tiene un rebose a un altura de 1.90 m del piso de fondo y sirve de depósito tanto para la impulsión al tanque elevado, como para la recolección del agua que fluye por las diferentes estructuras del laboratorio.

Bombas de impulsión : Son dos máquinas con mecanismo de succión positiva, cada una de 29 lps, con un peso de 44.5 Kg, una potencia de 9 HP y una frecuencia de 3520 rpm. Las 2 bombas trabajando en paralelo impulsan un caudal de 48 lps. Cada bomba se encuentra conectada a una válvula de compuerta hacia la tubería de succión de 4” de diámetro y a una válvula de mariposa hacia la tubería de impulsión de 6” de diámetro, las cuales permiten el desmonte independiente para su mantenimiento o reparación.

Válvulas : Cada una de las diferentes estructuras que posee el laboratorio puede ser operada de manera independiente, esto gracias a las siguientes válvulas con que cuenta el sistema de conducción y distribución.

o De retención o check: Instalada en la tubería de acero de 6” de diámetro, evita el retorno del agua a las bombas de impulsión cuando deja de funcionar la impulsión.

o De Globo: Este tipo de válvula es de cierre lento, en el laboratorio hay 2 de estas válvulas, una ubicada debajo de la válvula check, cumple la función de regular el caudal impulsando desde el tanque de almacenamiento hacia el tanque elevado

y otra instalada en la tubería de distribución que baja del tanque alto hacia el patio de modelos, que permite alimentar los futuros modelos que se instalen en este espacio.

o De compuerta: Es también una válvula de cierre lento, dentro del laboratorio hay 4 de estas válvulas, una de estas regula la entrada de caudal al canal de pendiente variable, y la otra que controla el caudal de entrada al tanque de modelos. Además están las dos que conectan el tanque enterrado con las bombas de impulsión.

o De Mariposa: Esta es una válvula de cierre rápido, en el laboratorio hay dos de estas válvulas, y son las que conectan las bombas centrífugas con la tubería de impulsión.

o De Bola: Es una válvula de cierre rápido, en el laboratorio hay 4 de estas válvulas, la primera de ellas es la que permite el llenado del tanque subterráneo, las otras tres permiten purgar las estructuras del laboratorio como lo son: el tanque subterráneo, el tanque de modelos y el vertedero de cresta ancha ubicado en el canal de concreto.

Medidor de flujo : Un medidor de agua es un artefacto que permite contabilizar la cantidad de agua que pasa a través de él y es utilizado en las instalaciones residenciales e industriales de los acueductos para realizar los cobros pertinentes a los usuarios del mismo.

4. PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO:

Paso 1. Eliminamos aire que hay en las tuberías para esto abrimos la válvula durante el lapso necesario de tiempo hasta lograr expulsar los vacíos que existan.

Tomamos las medidas de cada uno de los tramos (L1, L2….Ln) de la tubería en estudio.

Antes de abrir la válvula tomamos la medida del volumen inicial que nos muestra el micro medidor.

Tomamos la medida del tiempo con un cronómetro a partir del momento en el que se abre la válvula y empieza a fluir el agua.

Esperar el tiempo necesario en el cual se estabilice la altura y los meniscos que pueda existir en la tubería que se va a medir en los piezómetros.

Una vez estabilizada la altura se toma la medida de las alturas para cada tubería con sus respectivos tramos, repitiendo esto cuatro veces por tubería y detenemos el cronometro justo en el instante en el que se cierra la válvula de salida del agua.

Seguidamente tomamos nota del volumen que se muestra en el micro medidor el volumen final al que ha llegado en un determinado tiempo.

Se realiza el mismo procedimiento para cada tubería para el cual se realiza la prueba.

PROCEDIMIENTO EN GABINETE:

A partir de los valores obtenidos en laboratorio, como son la longitud y el diámetro, buscamos los valores de rugosidad de acuerdo al tipo de material del que están compuestos las tuberías.

Realizamos una hoja de Excel donde tenemos en cuenta todos los ítems necesario para poder calcular los valores de pérdidas de cargas por fricción.

De los valores arrojados en los piezómetros, reduciendo el valor de pérdidas por fricción, encontraremos el valor de K de los accesorios en tuberías.

Conclusiones

Luego de haber realizado el laboratorio de banco de pérdidas de tuberías y posteriormente calculo y análisis en gabinete, se logró dar solución a problemas reales de conducción de agua para consumo humano y otros fines a través de conductos a presión, con apoyo de herramientas informáticas (Excel) el cual nos permitió conocer el valor de “K” para diferentes tipos de tubería y accesorios.

ANEXOS:

FUENTE PROPIA: MIDIENDO LAS ALTURAS EN CADA TUBO QUE SE ENCUENTRA EN EL LABORATORIO

FUENTE PROPIA: MIDIENDO EL TIEMPO CON UN CRONÓMETRO

FUENTE PROPIA: MIDIENDO EL VOLUMEN

FUENTE PROPIA: MIDIENDO EL VOLUMEN

FUENTE PROPIA: MIDIENDO LA LONGITUD DE CADA TUBO ENTRE ACCESORIO

FUENTE PROPIA: MIDIENDO LA LONGITUD DE CADA TUBO ENTRE ACCESORIOS

FUENTE PROPIA: ANOTANDO LAS MEDIDAS TOMADAS DE CADA TUBO

FUENTE PROPIA: MIDIENDO CON PRESICION ENTRE ACCESORIOS

FUENTE PROPIA: MIDIENDO LAS ALTURAS EN CADA TUBO

FUENTE PROPIA: CONTROLANDO CON PRESICION EL TIEMPO EN EL CRONOMETRO