perdidas de carga en tuberias-laboratorio

GUIA DE PRACTICA N 4

TEMA: PERDIDAS DE CARGA EN TUBERIAS

FLUJO INTERNO

ALUMNO : ROJAS VELEZMORO BRYAN PROFESOR : NELVER ESCALANTE

ASIGNATURA : Lab. De Maquinas Trmicas e Hidrulicas

CICLO : VIII

NVO. CHIMBOTE PER

2014


PERDIDAS DE CARGA EN TUBERIAS

FLUJO INTERNO

1. OBJETIVOS:

Objetivo general:

Evaluar las prdidas primarias en un fluido en flujo interno a travs de un conjunto

de tuberas y accesorios en funcin de la cada de presin.

Objetivos especficos:

Determinar las perdidas primarias en un flujo turbulento y laminar.

Calcular el margen de error entre la constante del accesorio calculado experimentalmente y el terico.

Conocer la simbologa de redes de flujo interno.

2. INTRODUCCIN:

El flujo de los fluidos en tuberas est siempre acompaado de rozamiento de las partculas

del fluido entre s y la rugosidad de las tuberas, consecuentemente, por la prdida de

energa disponible; en otras palabras, tiene que existir una prdida de presin en el sentido

del flujo. Si se conectan dos manmetros Bourdon a una tubera por la que pasa un fluido,

podremos darnos cuenta de la perdida de presin.

La ecuacin general de la prdida de presin, conocida como la frmula de Darcy y que se

expresa en metros de fluido, es de mucha importancia en estos experimentos.

La ecuacin de Darcy es vlida tanto para flujo laminar como turbulento de cualquier

lquido en una tubera. Sin embargo, puede suceder que debido a velocidades extremas, la

presin corriente abajo disminuya de tal manera que llegue a igualar la presin de vapor del

lquido, apareciendo el fenmeno conocido como cavitacin y los caudales obtenidos por

clculo sern inexactos. Con las restricciones necesarias la ecuacin de Darcy puede

utilizarse con gases y vapores (fluidos compresibles).

Aqu se calcularan experimentalmente las prdidas de presin tanto en rgimen la minar y

turbulento, se determinaran otros valores que sern tiles cuando se quieran hacer

mediciones reales mediante mtodos analticos, y sea ms prctico obtener valores reales de

las prdidas primarias, conociendo el dispositivo con el cual se va a realizar el ensayo.


3. FUNDAMENTO TEORICO:

Los fluidos en movimiento o flujo interno forman parte bsica para la produccin de

servicios dentro de las actividades industriales, residenciales y comerciales. Al Ingeniero

mecnico le compete el tratamiento adecuado de la conduccin de flujos bajo conceptos de

optimizacin econmica, tcnica, ambiental y de esttica.

La aplicacin de la Ecuacin de Bernoulli para fluidos reales, entre 2 secciones de un

mismo tramo de tubera es:

Dnde:

Dnde:

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

Al hablar de prdidas en tuberas, lleva a estudiar los flujos internos que sean

completamente limitados por superficies slidas con un grado de rugosidad segn el

material del cual estn fabricadas.

Este flujo es muy importante de analizar ya que permitir disear las redes de tuberas y

sus accesorios ms ptimos. Las prdidas de energa que sufre una corriente cuando circula

a travs de un circuito hidrulico se deben fundamentalmente a:

Variaciones de energa potencial del fluido. Variaciones de energa cintica. Rozamiento o friccin.

PERDIDAS PRIMARIAS:

Llamadas perdidas longitudinales o prdidas por friccin, son ocasionadas por la friccin

del fluido sobre las paredes del ducto y se manifiestan con una cada de presin.

Empricamente se evala con la frmula de DARCY - WEISBACH:

Dnde:

L = longitud de la tubera.

D = Dimetro de la tubera.

V = velocidad media del flujo.


f = factor de friccin de la tubera.

De donde el factor de friccin de la tubera depende del Nmero de Reynolds (Re) y de la

rugosidad relativa ( / D). Para esto se hace uso del Diagrama de Moody. Bsicamente las Prdidas primarias son directamente proporcionales a la longitud de la tubera.

Flujo Laminar y Turbulento:

El tipo de flujo que existe a velocidades ms bajas que la crtica se conoce como rgimen

laminar y a veces como rgimen viscoso. Este rgimen se caracteriza por el deslizamiento

de capas cilndricas concntricas una sobre otra de manera ordenada. La velocidad del

fluido es mxima en el eje de la tubera y disminuye rpidamente hasta anularse en la pared

de la tubera.

A velocidades mayores que la crtica, el rgimen es turbulento. En el rgimen turbulento

hay un movimiento irregular e indeterminado de las partculas del fluido en direcciones

transversales a la direccin principal del flujo; la distribucin de velocidades en el rgimen

turbulento es ms uniforme a travs del dimetro de la tubera que en rgimen laminar. A

pesar de que existe un movimiento turbulento a travs de la mayor parte del dimetro de la

tubera, siempre hay una pequea capa de fluido en la pared de la tubera, conocida como la

capa perifrica o subcapa laminar, que se mueve en rgimen laminar.

Radio hidrulico:

A veces se tienen conductos con seccin transversal que no es circular. Para calcular el

nmero de Reynolds en estas condiciones, el dimetro circular es sustituido por el dimetro

equivalente (cuatro veces el radio hidrulico)

Esto se aplica a cualquier tipo de conducto (conducto circular no completamente lleno,

ovalado, cuadrado o rectangular), pero no a formas muy estrechas, como aberturas anulares


o alargadas, donde la anchura es pequea con relacin a la longitud. En tales casos, el radio

hidrulico es aproximadamente igual a la mitad de la anchura del paso.

Factor de friccin: El factor de friccin para condiciones de flujo laminar (R, < 2000) es funcin slo del

nmero de Reynolds; mientras que para el flujo turbulento (R, > 4000) es tambin funcin

del tipo de pared de la tubera. La regin que se conoce como la zona crtica aparece entre los nmeros de Reynolds de 2000 a 4000. En esta regin el flujo puede ser tanto

laminar como turbulento, dependiendo de varios factores; stos incluyen cambios de

seccin, de direccin del flujo y obstrucciones tales como vlvulas corriente arriba de la

zona considerada. El factor de friccin en esta regin es indeterminado y tiene lmites ms

bajos si el flujo es laminar y ms altos si el flujo es turbulento.

4. EQUIPOS Y MATERIALES:

Banco hidrulico.

Equipo demostrativo para perdidas de carga FME-05.

Cronometro digital.

Probeta.

5. PROCEDIEMIENTO:

Para flujo turbulento

Situar el equipo sobre las guas del canal del Banco Hidrulico o sobre la base del

Grupo hidrulico

Conectar el conducto flexible de entrada del aparato directamente a la boca de

impulsin del banco

Poner V1 cerrada y VT1 en posicin turbulento

Cerrar la vlvula de control de caudal del grupo o banco hidrulico

Poner en marcha la bomba y abrir la vlvula de control de la alimentacin

Abrir completamente la vlvula de control V2 para preparar el tubo de prueba y el

resto de los conductos

Utilizar las vlvulas de 3 vas VT3 del manmetro de agua, para permitir que esta

circule por todos los conductos hasta que todo el aire haya sido expulsado

Seleccionar los manmetros Burdon con VT2 y VT3, cuando se obtengan altas

presiones.


Una vez preparado el equipo se procede a la toma de datos

Para seguir el mximo caudal, abrir completamente la vlvula V2 del equipo

Tome lecturas de los manmetros

Mediante la probeta graduada mida el caudal en funcin de la apertura de la vlvula

V2

Determine la velocidad media de la corriente.

Para flujo laminar

Situar el equipo sobre las guas del canal del Banco Hidrulico o sobre la base del

Grupo hidrulico.

Conectar el conducto flexible de entrada del aparato directamente a la boca de

impulsin del banco.

Ponga V1 y VT1 en posicin laminar (V1 abierta).

Prepare el nanmetro de agua.

Ponga en marcha la bomba y abrir cuidadosamente la vlvula de flujo del banco

Llene el depsito de altura constante y ajustar dicha apertura para que el rebosadero

descargue agua estando tambin completamente abierta la vlvula V2 de control del

aparato.

Abra completamente la vlvula de control V2 para preparar el tubo de prueba y el

resto de los conductos.

Utilice las vlvulas de 3 vas del nanmetro de agua, para permitir que esta circule

por todos los conductos hasta que todo el aire haya sido expulsado.

Seleccione el nanmetro de agua con VT2 y VT3.

Una vez preparado el equipo se procede a la toma de datos.

Para conseguir el mximo caudal, abrir completamente la vlvula V2.

Repita la operacin anterior para distintas posiciones de la vlvula de control.


6. DATOS OBTENIDOS PARA FLUJO TURBULENTO

FORMULAS EMPLEADAS PARA HALLAR LAS PERDIDAS

Longitud de tubera = 0.5 metros

Viscosidad a (20 C) =

Dimetro interior = 0.004 metros

Densidad a (20 C) = 998.23

Peso especifico = 9792.6363

rea = 1.256 x 10-5

m2

PRIMERO: hallamos el caudal

(1)

Con el caudal, podemos hallar la VELOCIDAD

(2)

Hallando REYNOLDS

.. (3)

Rugosidad Relativa

(4)


Con Reynolds y la Rugosidad relativa, buscamos en el diagrama de moody EL COEFICIENTE DE FRICCION

Con todos estos datos, ms los obtenidos en el laboratorio, podemos ser capaces de calcular las perdidas.

PERDIDAS CON LA ECUACION DE LA ENERGIA:

Simplificando, queda:

En esta frmula falta (Z1 - Z2), que es la diferencia de altura, las cuales despreciaremos por

ser de solo 0.5 metros y la consideramos despreciable.

Ahora hallamos las perdidas, con la frmula de DARCY

DESPUES DE HABER UTILIZADO TODAS LAS FORMULAS Y SIGUIENDO

LOS PROCEDIMIENTOS RESPECTIVOS, TENEMOS EL SIGUIENTE CUADRO


TABLA DE FLUJO TURBULENTO

V Tiempo

(seg.)

P1

(Kpa)

P2

(Kpa)

Q

V

Re F

C.Friccion

Perdidas Primarias % de

error

Ec Energia Ec. Perdidas

1 0.5 16 240 225 0.0312 2.486 9890.017 0.03173 1.5317 1.2501 18.38

2 0.5 11.06 200 165 0.0452 3.597 14307.439 0.02904 3.5741 2.3945 33

3 0.61 16.81 230 210 0.0362 2.887 11484.422 0.03059 2.0423 1.6251 20.42

4 0.62 17 230 210 0.0364 2.902 11542.232 0.03056 2.0423 1.6399 19.70

5 0.69 17.6 220 195 0.0392 3.119 12407.476 0.03003 2.5529 1.8621 27.05

6 0.7 18 220 195 0.0388 3.094 12307.577 0.03009 2.5529 1.8359 28.08

7 0.71 13.79 180 135 0.0514 4.097 16294.503 0.02819 4.5952 3.0149 34.39

8 1 18.91 175 125 0.0528 4.208 16736.148 0.02802 5.1058 3.1613 38.08

9 1 36.36 250 240 0.0275 2.188 8704.0857 0.03276 1.0211 0.9997 2.09


TABLA DE FLUJO LAMINAR

V

Tiempo

(seg.)

P1

(Kpa)

P2

(Kpa)

Q

V

Re F

C.Friccion

Perdidas Primarias % de error

Ec Energia Ec. Perdidas

1 0.8 88.8 3.67 1.82 0.0090 0.716 2851.17 0.0224 0.1889 0.0735 61.09

2 0.6 68.9 3.62 1.89 0.0087 0.692 2755.99 0.0232 0.1766 0.0710 59.78

3 0.5 63.98 3.48 2.08 0.0078 0.621 2473.27 0.0258 0.1429 0.0637 55.40

4 0.19 153.84 2.92 2.8 0.0012 0.098 390.86 0.1637 0.0122 0.01007 17.77

5 0.05 78.58 2.89 2.84 0.0006 0.050 201.37 0.3178 0.0051 0.00519 1.67

Al trabajar con el flujo laminar, cambiamos la forma de hallar el coeficiente de friccin, ya que no utilizamos el diagrama de moody, sino que utilizamos la siguiente formula

Para flujo laminar


7. CONCLUSIONES

Gracias a la prctica hecha en laboratorio reconocimos los regmenes que mantena

el fluido: tanto turbulento como laminar, y el comportamiento de cada uno de ellos.

Con nuestras formulas y con los datos que obtuvimos en el laboratorio, pudimos

diferenciar los tipos de flujo gracias al nmero de Reynolds.

Evaluamos las perdidas primarias, tanto en el flujo turbulento como en el laminar,

usando 2 formulas: La ecuacin de la energa, y la formula de DARCY.

Pudimos darnos cuenta que en el flujo turbulento, las prdidas de carga son grandes

a medida que vamos incrementando el caudal y a la vez aumenta la velocidad.

A diferencia del flujo turbulento, el flujo laminar tiene menores perdidas cuando

aumentamos el caudal.

Si comparamos las perdidas entre ambos, podemos decir que las prdidas en el flujo

laminar son considerablemente menores con respecto al flujo turbulento.

Pudimos tambin, encontrar el factor de corrosin, en nuestro diagrama de

MOODY.

Al hallar las perdidas, pudimos darnos cuenta, que la ecuacin de la energa y la

ecuacin de Darcy, nos daban diferentes valores y al analizarlo vimos el porcentaje

de error que tenamos y concluimos que con la ltima formula tenamos valores

menores y que era gracias a que utilizbamos ms variables, y que en la ecuacin de

la energa vimos mayores errores porque despreciamos la longitud de la tubera.


8. RECOMENDACIONES:

Para este tipo de prcticas, es recomendable ser preciso a la hora de tomar los datos

del tiempo y del volumen de lquido.

Ser lo ms exacto posible a la hora de ver el nivel de llenado de la probeta, ya que

todo eso influye en nuestros datos y al hallar las perdidas.

BIBLIOGRAFIA

Colebrook, C. F. and White, C. M. (1937). Experiments with Fluid Friction in Roughened

Pipes. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical

Sciences 161 (906): pp. 367381

http://physics.nist.gov/cuu/pdf/sp811.pdf

http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2007/02/friction-pressure-drop-

calculation/

http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Moody


ANEXOS

perdidas de carga en tuberias-laboratorio

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