lab 06 mecanica de fluidos pÉrdida de energÍa por fricciÓn en tuberÍas rectas

7/24/2019 Lab 06 Mecanica de Fluidos PRDIDA DE ENERGA POR FRICCIN EN TUBERAS RECTAS.

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1

RESUMEN

En esta prctica, realizamos un anlisis experimental en tuberas rectasy en los accesorios. Una tubera es de dimetro mayor a comparacindel otro, obtenindose datos como, cadas de presin, mL de agua ytiempo, a diferentes lecturas del rotmetro.

ambin se calibro el rotmetro, !ue consta de medir in situ los caudalesreales !ue estn "uyendo. El clculo de prdidas de energa en tuberasrectas, !ue se estudia en la prctica pertenece al factor de friccinexperimental, de #oody y el n$mero de %eynolds, !ue se puedencalcular a lo largo del sistema de tuberas, ya !ue por su mismaestructura originan mayor o menor prdida, dependiendo del caso.


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&

NDICE

OBJETIVOS __________________________________________________________4FUNDAMENTO TEORICO_____________________________________________4

1.- PRDIDA DE ENERGA POR FRICCIN DEL FLUIDO________4

2.- FACTOR FRICCIN__________________________________________5

3.- DIAGRAMA DEMOOD______________________________________!

4.- ROT"METROS_______________________________________________#

5.- CALIBRACIN DELROT"METRO____________________________$

MATERIALES METODOS _____________________________________________%

PROCEDIMIENTO E&PERIMENTAL__________________________________1'

DATOS_______________________________________________________________11

CALCULOS RESULTADOS__________________________________________12

DISCUSIN DERESULTADOS________________________________________3'

CONCLUSIONES_____________________________________________________3'

RECOMENDACIONES________________________________________________3'

CUESTIONARIO______________________________________________________31

REFERENCIA

BIBLIOGRAFICA_______________________________________33


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'

PRCTICA N 06

PRDIDA DE ENERGA POR FRICCIN EN TUBERAS RECTAS.

I. OBJETIVOS:

Estudiar y observar experimentalmente de que dependen las prdidas de energa por

friccin en tuberas rectas. Determinar las prdidas de energa por friccin en tramos de tuberas rectas con

diferentes dimetros y caudales. Estudiar la variacin del factor friccin de Moody en tuberas rectas lisas con el

Nmero de !eynolds. "alcular experimentalmente el factor friccin de Moody.

II. FUNDAMENTO TEORICO:

II.1. PRDIDA DE ENERGA POR FRICCIN DEL FLUIDO:

"uando un fluido fluye por una tubera cierta cantidad de energa mecnica se transformaen calor por la friccin del fluido que tiene lugar dentro del sistema debido a la viscosidaddel fluido y rugosidad de la pared de la tubera. #as prdidas de energa debido a la friccindel fluido $%&' son de dos tipos( la prdida de energa por friccin del fluido sobre lasuperficie interna de la tubera recta $%)!& y la prdida de energa por friccin del fluidodebido a la forma o accesorios $%*""&' a las prdidas de energa por superficie tambin sele conoce como prdidas mayores y a las prdidas de energa debido a la forma comoprdidas menores. #as prdidas de energa por friccin en un sistema de tuberas es la sumade las prdidas por superficie y forma.

FTR+ FAccF=

2.2 PRDIDAS DE ENERGA POR FRICCIN DEL FLUIDO EN TUBERASRECTAS+


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(

#os resultados experimentales demuestran que el flu,o de un fluido totalmente desarrolladoy permanente' depende de las magnitudes siguientes+

Dimetro de la tubera. #ongitud de la tubera. -iscosidad del fluido. Densidad del fluido. -elocidad media. !ugosidad o asperea de la tubera.

/i un fluido incompresible est fluyendo por una tubera recta tal como se presenta en lafigura n012 con un flu,o completamente desarrollado' las prdidas de energa por friccindel fluido se pueden calcular realiando un balance de energa entre los puntos 2 y 3'

F!"#$ %01: $'( )* "%$ &"+*#,$

E-"$-%:

u22u1

2

2 +

P2P1

+g(

Z2

Z1)+

FTR=

Wf

C(%/)*#$-(%*/:

4 5 2 %lu,o )urbulento. u2 5 u3 no 6ay cambio de dimetro en la tubera. 725 73 los puntos de referencia estn en el mismo plano. 8%5 1 no existe traba,o de bomba o turbina.

"on las consideraciones del caso' la ecuacin anterior queda reducida a+

FTR=P2P1

FTR= P =

P1P

2


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)

En la ecuacin anterior demuestra que las prdidas de energa por friccin es funcin de lacada de presin dividida por la densidad del fluido que est fluyendo' la mencionadaecuacin sirve para determinar la prdida de energa por friccin en una tubera rectamediante datos experimentales de presin.

9n flu,o completamente desarrollado significa que la velocidad de flu,o del fluido es elmismo en todos los puntos a lo largo de la longitud del tubo. #a prdida de energa porfriccin causada por el esfuero cortante en la pared de una tubera cuando fluye un flu,ocompletamente desarrollado se calcula con la ecuacin mundialmente conocida de Darcy:8eisbac6'

FTR=fDu

2

2

L

D ;;;;;;;;;;;;. $2&

Dnde+

fD5 factor friccin de Darcy o Moodyu 5 velocidad del fluido' m


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*

m 5 flu,o de masa de fluido que est fluyendo.

#a fuera tangencial es funcin del esfuero cortante y del rea lateral del tubo+

FT=WAL

FT=WDL $?&

El flu,o de masa por donde circula el fluido es igual a la densidad por la velocidad y por elrea transversal del tubo $* 5 @


7/35

+

2.5. ROTMETROS.

Estos medidores de flu,o estn diseBados ba,o la variacin de un rea de flu,o' la cada depresin es constante y la velocidad de flu,o es funcin del rea de la corona circular' lapared del tubo y del flotador. El medidor de rea variable ms importante es el rotmetro.

FIGURA N 03: rotmetro medidor de reavariable para caudales


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2.6. CALIBRACIN DEL ROTMETRO.

"alibrar un rotmetro significa medir in situ los caudales reales que est fluyendo a travsdel mismo para diferentes lecturas de la escala del rotmetro' para luego graficar loscaudales reales en funcin de las lecturas del rotmetro' obtener una curva y determinar suecuacin matemtica. #a ecuacin matemtica sirve para obtener el verdadero caudal queest fluyendo por el rotmetro para cualquier lectura del rotmetro.


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-

III.

MATERIALES MTODOS:$ M$&*#$7*/.

*gua potable. Mangueras. aldes. Crobetas.

+ E8"9(/ 3 A9$#$&(/. Equipos de fluido marca )E"9FMEN)D M*DE FNG#*N' instalados en el

#aboratorio de Mecnica de %luido. )ermmetro. "ronmetro.

Fnflador.

C DESCRIPCIN DEL EUIPO:El esquema del sistema de tuberas del equipo experimental se presenta en la siguientefigura N0?' est formado por dos lneas en paralelo y contiene+

9n tanque de almacenamiento de agua 9na bomba centrfuga trifsica de 2.I mm y 3I.3 mm' de dimetro Ciemetros


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1

9na vlvula de globo u una vlvula de compuerta' con sus respectivos

manmetros diferencial en 9.El tramo de tubera >:?' de color aul es un tubo recto de 2>.I mm de dimetro interno yJ2?.? mm de longitud' en la cual estn instalados dos piemetros cuyas lecturas

pieomtricas son las alturas en milmetros de columna de agua 6>y 6?.

Figura 4: esquema del equipo de flujo de fluidos para prdidas de energa por friccin en

tuberas rectas y accesorios

D P#(-*)'*%&( *;9*#'*%&$7.

*ntes de empear con el experimento es necesario que las dos vlvulas instaladas unaen la tubera aul y la otra en la tubera celeste estn completamente abiertas o al menosuna de ellas' si no lo estn el mercurio de los manmetros diferenciales en 9 que midenla presin relativa de estas vlvulas fugarn 6acia la corriente de agua y se tendr

problemas con la realiacin del experimento.

/e debe verificar que las alturas de agua en los piemetros deben estar a un mismonivel' si no lo estn es porque en los tubos de plstico de los piemetros existe

burbu,as de aire las cuales deben ser evacuadas. /i las alturas de agua en los tubos deplstico de los piemetros estn muy arriba cerca a las vlvulas de evacuacin de airede los piemetros' esto no permitir realiar una buena lectura del mismo cuando el

equipo est en funcionamiento' para lo cual se debe insuflar aire con el inflador 6astaalcanar una altura pieomtrica pequeBa adecuado. #os siguientes pasos se debenseguir para llevar a cabo el experimento+

Coner en funcionamiento la bomba y controlar un caudal moderado para el flu,o delfluido para todo el sistema a travs de la vlvula de globo que est despus de la bomba.

"errar una de las vlvulas' ya sea la de compuerta que est en la tubera aul o la deglobo que est en la tubera celeste.

Cara la calibracin del rotmetro manipular la vlvula de globo que est despus de la

bomba' primero para pequeBos caudales colocando la parte superior del flotador delrotmetro a una lectura deseada' para esa lectura del rotmetro tomar en la descarga de


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11

la tubera una cantidad de agua en un balde y controlar el tiempo' luego del cual se midecon una probeta el volumen del agua. !ealiar el proceso para las lecturas del rotmetrode 2' >' I' J' 23' 2A' 31' 3A' >1.

Cara las prdidas de energa por friccin en la tubera recta de 2>'I mm de dimetro

cerrar la vlvula de globo que est en la tubera celeste y de,ar completamente abierto lavlvula de compuerta que est en la tubera aul. Manipular la vlvula de globo que estdespus de la bomba a fin de colocar la parte superior del flotador del rotmetro a lalectura de 2 $uno& y leer las lecturas de presin relativa en columna de agua en los tubosde plsticos de los piemetros 6> y 6?. !epetir el experimento para lecturas delrotmetro de 3' >' ?' I' H' 21' 2A' 31' 3A y >1.

Cara las prdidas de energa por friccin en la tubera recta de 3I'3 mm de dimetroprimero se debe abrir la vlvula de globo y luego cerrar la vlvula de compuerta.!epetir el experimento siguiendo el procedimiento para las prdidas de energa para latubera de 2>'I mm de dimetro realiado lecturas para el rotmetro de 2' 3' >' ?' I' H'

21' 2A' 31' 3A y >1 y leyendo las lecturas de presin relativa en columna de agua en lostubos de plsticos de los piemetros 6Hy 6J.

3.2. MTODOS.

D()*+,*,/ 0( (,.

El es!uema del sistema de tubera del e!uipo experimental sepresenta en la /gura 0', est formado por dos lneas en paralelo ycontiene2 un tan!ue de almacenamiento de agua, una bombacentrifuga trifsica de 134 de potencia, un rotmetro, tuberas de1'.*mm y &*.&mm de dimetro interno con sus respecti5os

piezmetros y una 5l5ula de globo y otro de compuerta con susrespecti5os manmetros diferencial en U.

El tramo de tubera '6(, de color azul es un tubo recto de 1'.*mm dedimetro interno y -1(.(mm de longitud, en la cual estn instaladosdos piezmetros cuyas lecturas piezometricas son las alturas enmilmetros de columna de agua 7'y 7(.

El tramo de tubera 6-, de color celeste es un tubo recto de &*.&mmde dimetro interno y -1(.( mm de longitud, en la cual estninstalados dos piezmetros cuyas lecturas piezometricas son lasalturas en milmetros de columna de agua 7y7-.

I. DATOS4.1. DATOS

CUADRO N6'1 (*7+8) 0,+(*789(/7( 79808).

L(*7+80(

+7:9(7+.

V9(/;


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1&

12 (-' )15 (' ')1$ '&&) '21 ((& &*24 (+ &(

2# ('& &3' (- &33 ) 1

CUADRO N6'2 P>+0,08 0( (/(+?@8 + +,**,/ (/ 7(+@8) +(*78).

L(*7+8 0(+7:9(7+

T(+@8 +(*78 0( 13;!99 0(

0,:9(7+ ,/7(+/


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1'

CUADRO N6'3 R()780) 7(/,0) 0( 9(/ (/ 93 *808 +(8.

L(*7+80(

+7:9(7+.

V9(/;x? @ x A

%B @ .-,

CAUDAL REAL VS LECTURA DEL ROTAMENTRO

LECTURA DEL ROT"METRO

CAUDAL REAL


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1(

Y=8x 106X+4x 106

2. C8*8+ 8) >+0,08) 0( (/(+?@8 + +,**,/ ((+,9(/78 8+8) 7+89) 0( 7(+@8 0( 0,:9(7+ 13;! 99 2!;2 99+()(*7,89(/7(; 788/0 8 (*7+8 0( +7:9(7+; +(),/,/,*,8 /8 (/ 8)*8() 8) >+0,08) 0( (/(+?@8 (/ JH?.

8ara realizar la con5ersin de la presin inicial y /nal de mm.c.a. 7apascales se realiza el siguiente calculo+0,08 0( (/(+?@8 + +,**,/ (/ 7(+@8) +(*78);7(+,*8.

L(*7+8 0(+7:9(7+

T(+@8 +(*78 0( 13;!99 0(

0,:9(7+ ,/7(+/


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&&

DMEDIANTE EL DIAGRAMA DE MOOD

CUADRO N6'% P>+0,08 0( (/(+?@8 + +,**,/ (/ 7(+@8) +(*78).

L(*7+8 0(+7:9(7+

T(+@8 +(*78 0( 13;!99 0(

0,:9(7+ ,/7(+/


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&'

fDexperimetal! te"rico # del dia$rama de %ood# e fuci" de N&mero

de Re#olds 'tuber(a )3*+mm,

NQ9(+ 0(R(/0)

[-g/mP! ]

fDexperimetal f D co la

ecuaci"

te"rica!

fD del

Dia$rama de

%ood#

1'%'.!%5! .)''+) .)*+1) ,*1$1#.#$21 .*1(+-&+ .')&++( ,'(2544.$!$! .+)*-1 .(((-) ,')32#2.'$!% .*1*)1)+ .(1+1& ,(&4#2!.25%% .()(*)'- .'111*( ,'!1$'.5!4# .')+'*' .')*'-'+ ,')#!34.#3## .'(())1 .''))- ,''112#'.3'1% .---(&* .'**-&) ,&-14%'5.$!!2 .'1+*+&) .&)- ,&

1$541.43'5 .'11+*- .&+1* ,&+221##.12!! .&-'+)* .&)-(*- ,&)


24/35

&(


25/35

&)


26/35

&*

CUADRO 11

fDexperimetal! te"rico # del dia$rama de %ood# e fuci" de N&mero de

Re#olds 'tuber(a -+*-mm,

NQ9(+ 0(R(/0)[-g/mP! ]

fD

((+,9(/78

fD

C/ 8 (*8*,/7(+,*8

fD

D( 0,8?+8980( M0

5!5.15$%$# .(*++)&1 .11'&(&(+ .-%42.1$5534 .)+ .*+-&+1+ .*)

131$.#'43 .1+1&+' .()'&(- .)1!%5.#3'$5 .&+11 .'++(1( .'244%.2#!1! .--**& .((-1+) .()32'3.'#53# .-(*'11 .(&(() .(&3%5!.!2'!% .&')'- .'-(''* .(5$4'.%%1#5 .1-()) .'*1(*(' .')*##25.1'$%3 .&'++-( .''+*&- .'&)%!'%.22!11 .1)1(* .'1-1*( .'1114%3.3433 .-*11 .')1-'* .&-


27/35

&+


28/35

&

!. P7(8+ (/ 8( 0( ?8+@79,* 8) >+0,08) 0( (/(+?@8 ++,**,/ ((+,9(/78 (/ /*,/ 0( 8 (*,080 +9(0, 0(K 8+8 ) 7+89) 0( 7(+@8) +(*78).

CUADRO 12


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&-

CUADRO 13

ubera '6(, color azul >1'.*mm?

FTR ['/-g ] V(*,080 +9(0, [m ]

'.'1%!! .&+*

'.'3%32.1'+-'

'.'$$4! .1-'1'.12##! .&(&'.1%!5# .')*&'.22!'5 .(*-+'.3%313 .)+-'1'.245#1 .))1+1.3!!14 1.1'1'2.'!3%4 1.+&-2.$4'3# &.1&+1

ubera 6-, color celeste >&*.&mm?

FTR ['/-g ] V(*,080 +9(0,[ m ]

'.'1%!! .&&&*'.'!$#% .'+11'.'3%32 .)1-(

'.'#$!3 .**+-'.'#$!3 .-*(+'.12##! .1&*1*'.'4%14 .1))('.'4%14 .&'*'.1$!#4 .'(&+'.12##! .'+('.1!#'$ .()&*-


30/35

'


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'1

III. DISCUSIN DE RESULTADOS

En cuanto a la calibracin del rotmetro, se determin de maneraob9eti5a tal como lo demuestra el J%;KI: 01, debemos sealar !uea diferentes lecturas del rotmetro, el "otador del rotmetro no seencontraba /9o, los cuales pueden darnos ciertos errores en losclculos realizados.

en cuanto al factor friccin podemos a/rmar los siguiente de acuerdo alos siguientes cuadrosI:L:% FGUL?

ubera recta de &*,& mmde

dimetro interno>I:L:% IELEME?

FTR FTR'.'1%!! .1-**


33/35

''

'.'3%32 .*+-'.'$$4! .'-'&'.12##! .+*''.1%!5# .+*''.22!'5 .1&++*

'.3%313 .(-1('.245#1 .(-1(1.3!!14 .1*+(2.'!3%4 .1&++*2.$4'3# .1*+'.'1%!! .1-**

Las prdidas de energa por friccin 5aran de la siguiente manera 8 +?),080 0( 8 8+(0 0( / 7 )(98/,()78 (/ ( 90( 0( K 7+(/7 / (/ ( 90(89,/8+.

Me presenta solo en el "u9o turbulento por!ue el "uido continuamentese mezcla, de forma catica, como consecuencia de la ruptura de un"u9o ordenado de 5rtices, !ue afectan zonas en direccin delmo5imiento. En cambio el "u9o laminar se presenta 5elocidades ba9as.

8or lo tanto decimos !ue la rugosidad se presenta en los tubos depe!ueo dimetro y ser insigni/cante en un tubo de gran dimetro,es decir, la in"uencia de la rugosidad depende del tamao del tubo yde la pared. 8or ello, la rugosidad se de/ne como el cociente entre larugosidad absoluta y el dimetro de la tubera.

3. > +*(/78K( 0( ) *)7) 0( / +*() 0( (8+8*,/0( / +0*7 8,9(/7,*, ,9,*8 ( 0,)( 0( ) ),)7(98 0(7(+@8)

Lo primero !ue se debe tomar en cuenta el tipo de alimento !ue se!uiere elaborar, luego de acuerdo a las caractersticas del productoalimenticio de deber ad!uirir en tipo de tubera por lo general paraalimentos se utiliza la tubera de acero inoxidable en cual generara uncosto, por lo general el porcenta9e de los costos para el diseo de lastuberas seran de un '6(N del total de los costos.


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'(

VI. BIBLIOGRAFA.

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-R#F7 %#K!E/' !al !icardo. 3123:.PMecnica de fluidosP. Cer. 6ttp+


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