UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE INGENIERA MECNICA FIM3

INTRODUCCIN

Las diferentes aplicaciones que tienen los fluidos en las industrias, hace que un ingeniero se prepare, conozca y resuelva los problemas que a menudo se presentan con su utilizacin, prdidas por friccin y clculo de caudales.

Aquellos flujos que quedan completamente limitados por superficies slidas, reciben el nombre de flujos internos. Este tipo de aplicacin se ve mucho en la ventilacin, donde el aire es extrado o introducido por tuberas y otros conductos.

En la medida que nuestro conocimiento de la teora aplicado en la prctica sea ms comn, ser normal entonces nuestro buen desenvolvimiento en la industria; en general esta afirmacin podemos tomarlo como un consejo para nuestra formacin como ingenieros.

Mucho se ha tratado ya de que cualquier fluido, tal como el agua puede ser considerado como ideal; en la medida de que no posee viscosidad todo por efectos prcticos, lo cual en cierta medida es aceptable; pero el presente laboratorio justamente trata de analizar la coherencia con la teora a partir de datos que se obtuvieron en el banco de tuberas que existe en nuestra facultad.

El presente informe lograra demostrar experimentalmente la consecuencia de las cadas de presin en las tuberas, usando para ello un sistema de ductos de hierro con varias tomas de aire en su longitud, de forma que las prdidas puedan ser medibles y cuantificables, con el uso de equipos de medicin sencillos.

Adems comprobaremos las relaciones experimentales que se cuenta para flujos turbulentos y totalmente desarrollados. La corriente de aire ser generada por un ventilador dentro del sistema de ductos. Para obtener el perfil de velocidades generado en el ducto usaremos un tubo de Pitot que estar montado en la descarga del circuito.

NDICE

OBJETIVO.pg. 3

FUNDAMENTO TERICO...pg. 3

EQUIPOS Y MATERIALES...pg. 12

CLCULOS Y RESULTADOSpg. 17

RECOMENDACIONES...pg. 26

CONCLUSIONES...pg. 26

BIBLIOGRAFApg. 27

OBJETIVO

Determinar experimentalmente la prdida de energa de un fluido que pasa a travs de tuberas. Verificacin de tablas de propiedades o caractersticas de materiales empleados como tubera. Realizar un anlisis del flujo interno aplicando los conceptos y criterios ya vistos en el curso de Mecnica de Fluidos

FUNDAMENTO TERICO

Propiedades de la presin en un medio fluido La fuerza asociada a la presin en un fluido ordinario en reposo se dirige siempre hacia el exterior del fluido, por lo que debido al principio de accin y reaccin, resulta en una compresin para el fluido, jams una traccin. La superficie libre de un lquido en reposo (y situado en un campo gravitatorio constante) es siempre horizontal. Eso es cierto slo en la superficie de la Tierra y a simple vista, debido a la accin de la gravedad no es constante. Si no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esfrica y, por tanto, no horizontal. En los fluidos en reposo, un punto cualquiera de una masa lquida est sometida a una presin que es funcin nicamente de la profundidad a la que se encuentra el punto. Otro punto a la misma profundidad, tendr la misma presin. A la superficie imaginaria que pasa por ambos puntos se llama superficie equipotencial de presin o superficie isobrica.Tipos de presinPresin EstticaLa presin total que ejerce un fluido -bien sea gaseoso o lquido- se define como la suma de la presin esttica y la presin dinmica.

Donde: Po = Presin total Ps = Presin esttica Pd = Presin dinmica De esta manera, cualquier presin ejercida por un fluido la cual no es ejercida por el movimiento o velocidad del fluido es llamada presin esttica del fluido.Para fluidos en reposo (estticos) la presin dinmica es nula y la presin esttica es igual a la presin total. Mientras que la presin dinmica acta nicamente en la direccin del flujo, la presin esttica acta por igual en todas las direcciones y siempre en ngulo recto con todas las superficies que contengan al fluido.Presin Dinmica Se puede decir cuando los fluidos se mueven en un conducto, la inercia del movimiento produce un incremento adicional de la presin esttica al chocar sobre un rea perpendicular al movimiento. Esta fuerza se produce por la accin de la presin conocida como dinmica. La presin dinmica depende de la velocidad y la densidad del fluido.Presin Total de EstancamientoEs la suma de la presin esttica y de velocidad ejercida sobre una superficie perpendicular al desplazamiento. Se mide mediante un tubo de impacto o Pitot. Cuando el tubo de impacto, o Pitot, se inserta en un fluido de velocidad supersnica, se producen ondas de choque. En este caso, la presin suministrada al tubo es la presin que existe corriente abajo de la onda d choque y no la presin del lado de corriente arriba, que es la se quiere medir. Se dispone de tablas de correccin que pueden ser aplicadas a las presiones observadas para obtener las presiones verdaderas antes de la onda de choque.

Fig. 1 Tubo de PitotTipos de flujo Flujo permanente. Es aquel flujo que se caracteriza porque las propiedades en cualquier de sus puntos no cambia con el tiempo. Fluido compresible e incompresible. Se dice que un fluido es incompresible cuando su densidad se mantiene constante y es compresible cuando su densidad es variable. Flujo Laminar.- Es cuando las partculas fluidas se desplazan siguiendo trayectorias paralelas sin entrecruzarse unas con otras. Para flujos a travs de ductos se puede considerar que se trata de un flujo laminar cuando tiene un nmero de Reynold menor que 2300. Flujo Turbulento.- Es cuando las trayectorias de las partculas fluidas se cruzan y entrecruzan continuamente luego se ver con ms detalle el flujo turbulento. Flujo Interno.- Aquellos flujos que queden completamente limitados por superficies slidas (por ejemplo, flujos a travs de conductos) reciben el nombre de flujos internos.

Distribucin de presiones en conducciones cilndricas.Concepto de velocidad de fluido:En el seno de un fluido newtoniano en movimiento por una conduccin, pueden distinguirse varias velocidades: Velocidad local o puntual (): Velocidad correspondiente a cualquier punto de un sistema de flujo en un momento dado. Como ejemplo est la figura 2, donde la velocidad de cada una de las lminas en movimiento es una velocidad local.

Fig. 2 Perfil de velocidades en rgimen de circulacin laminar Velocidad media a travs de una seccin (): Se define la velocidad media como la relacin existente entre el caudal volumtrico y seccin por la que ste circula, que se corresponde con la media de las velocidades puntuales que circulan las distintas lminas por una seccin. Se calcula como:

Donde "L" es la longitud recorrida en un tiempo "t" por todos los elementos del fluido en el supuesto de que todos tuvieran la misma velocidad, "S" es la seccin transversal (m2), Vo el volumen (m3) y Q el caudal volumtrico (m3/s) (definido como volumen que ha pasado por unidad de tiempo; en la forma puntual Q=dVol/dt). Cuando un fluido est en movimiento, se distinguen dos tipos de rgimen de circulacin:Rgimen laminar. Un fluido se dice que circula en rgimen laminar cuando al moverse por una conduccin se cumple la ley de Newton de la viscosidad (ver figura 3). En este caso, el fluido en movimiento tiene las lminas bien definidas, cada una viajando a su velocidad rozando a las de al lado, sin mezclarse unas con otras. El rgimen laminar se caracteriza por un movimiento ordenado de las partculas de fluido, existiendo unas lneas de corriente y trayectorias bien definidas. El flujo laminar se cumple siempre que el mdulo de Reynolds sea inferior a 2100.

Fig. 3 Ley de la Viscosidad de Newton

Rgimen turbulento. Si el Reynolds es superior a 4000, la ley de Newton de la viscosidad deja de cumplirse en todo momento, siendo imposible de resolver de forma analtica el perfil de velocidades. Al incrementarse tanto la velocidad, el movimiento de un fluido que se da en forma catica, en que las partculas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partculas se encuentran formando pequeos remolinos aperidicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Puede considerarse que el perfil de velocidades es prcticamente plano, es decir, las velocidades puntuales son semejantes entre s y prcticamente iguales a la media. Existe un rgimen de transicin entre Reynolds 2100 y 4000, en los que la circulacin de forma cclica pasa de laminar a turbulento. El trabajar en este intervalo hay que evitarlo debido a las vibraciones y diferencias en las prdidas de carga que se produciran. El motivo por el cual existe una transicin del rgimen laminar al turbulento con un incremento del caudal es algo que no se conoce.

EQUIPOS Y MATERIALES Sistema de ventilacin El sistema de ventilacin tiene un ducto de succin de aire del ambiente. Un ventilador accionado por un motor elctrico. Un ducto de descarga en cuya salida se encuentra un cono regulador de flujo. A continuacin se presenta un esquema:

Wincha

Manmetro Medidor de presin esttica y total

PROCEDIMIENTOS Encender el motor del ventilador Abrir lo ms posible el cono regulador de la salida del ducto de descarga, para obtener el mayor caudal en la tubera Regular la relacin de transmisin del motor del ventilador a un valor mnimo Medir las presiones estticas en diversos puntos a lo largo de la tubera con el manmetro digital. Medir las distancias entre dichos puntos con la wincha (Solo una vez ya que todos los puntos se encuentran a la misma distancia uno respecto a otro) Medir las presiones de velocidad a lo largo del dimetro en la salida de la tuberaCLCULOS Y RESULTADOSDatos medidos: Presin esttica en cada punto a lo largo del ducto Presin dinmica en la seccin de la boca de salida del ducto Posiciones del dimetro de la salida del ducto

Resumen de las formulas a usar para realizar los clculos. Transformaremos unidades de presin, de pulgadas de agua a Pascales. Para lo cual consideraremos:Densidad del agua: 1000 kg/m3Densidad del aire: 1.24 kg/m3Aceleracin de la gravedad: 9.81 m/s2 : metros de agua

Calcularemos el caudal de aire:Como tenemos el valor de presin dinmica podemos hallar la velocidad:

Tenemos una distribucin de velocidades en la seccin circular de la boca de salida del ducto, podemos obtener caudal

Relacin entre la velocidad promedio y velocidad mxima:

El valor de c debera ser 0.82.

Tabulando los datos obtenidos durante la experiencia para la seccin de salida, se presentara lo siguiente, y se obtendrn los siguientes perfiles mostrados.

Punto en pulg1ra TOMA2da TOMA

P [pulg H2O]PascalVelocidad [m/s]P [pulg H2O]PascalVelocidad [m/s]

00,2459,77979,81500,1844,83488,5001

10,26265,259510,25500,26265,259510,2550

20,30275,222811,01010,32380,453511,3864

30,33483,193411,57870,36590,914912,1041

40,35688,673211,95390,38295,149312,3828

50,37793,903912,30150,499,632812,6712

60,37593,405812,26880,39598,387412,5917

70,36290,167712,05430,38595,896612,4313

80,34786,431511,80190,3792,160312,1867

90,33182,446111,52660,3484,687911,6822

100,29773,977410,91850,374,724610,9735

110,2357,28899,60840,24561,02519,9167

11,50,19147,57478,75590,21152,55639,2030

Punto1ra TOMA2da TOMA

P [pulg H2O]PascalP [pulg H2O]Pascal

SUCCION0-7,5-1868,1150-8,1-2017,5642

1-4,4-1095,9608-4,65-1158,2313

2-4,28-1066,0710-4,45-1108,4149

3-4,22-1051,1260-4,5-1120,8690

4-4,28-1066,0710-4,6-1145,7772

5-4,4-1095,9608-4,7-1170,6854

6-4,36-1085,9975-4,65-1158,2313

7-4,45-1108,4149-4,75-1183,1395

DESCARGA80,3689,66950,249,8164

90,3279,70620,1742,3439

100,3382,19710,1844,8348

110,3382,19710,1844,8348

120,3484,68790,1844,8348

130,3484,68790,1639,8531

140,3587,17870,1742,3439

150,3587,17870,1742,3439

160,3279,70620,1537,3623

170,3382,19710,1537,3623

180,3177,21540,1434,8715

Si graficamos V = f ()

El rea bajo la curva es =

Se tiene:

1ra TOMA

Integrando en el grfico: De tabla:

2da TOMA

Integrando en el grfico: De tabla:

RECOMENDACIONES

Utilizar un manmetro digital para obtener ms precisin en los datos tomados durante la experiencia. Colocar un tubo de Pitot en el ducto de succin, permitira de manera ms exacta comprobar cmo se desarrolla el perfil turbulento durante la succin. Tratar de destapar la descarga del ducto de ventilacin para de esta forma evitar turbulencias durante lo largo de todo este.

CONCLUSIONES

Se puede concluir que el flujo es turbulento, debido a la tendencia de la grfica del perfil de velocidades, ya que la variacin de los puntos tomados no es muy distante, adems de que se asemeja a una parbola. No se necesita la alineacin del flujo, puesto que en ambos casos se ha obtenido las grficas esperadas para la presin de velocidades, y no ha existido mucha dispersin. Debido que el perfil desarrollado no es una parbola exacta, el valor de la constante c en nuestros clculos no es 0.82, sin embargo estn alrededor de dicho valor, lo que se deduce que cada perfil de velocidad tiene su propia constante.

BIBLIOGRAFA

Manual de laboratorio de ingeniera mecnica

Postigo Barrio de Mendoza, JaimeTERMODINMICA APLICADACruz, Juan F.2da. Edicin W.H. EDITORES Lima Per.

Shapiro, Ascher TERMODINMICAEditorial the Ronald Press, Co (New York) 1963 http://www.repsol.com/imagenes/pe_es/glp__168181_tcm18-208366.pdf