Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”

Área de Tecnología Programa de Ingeniería Química

Departamento de Energética Laboratorio de Operaciones Unitarias I

PRÁCTICA 2: DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN UN SISTEMA DE TUBERÍAS

1 OBJETIVO GENERAL Determinar las pérdidas por fricción para

transporte de un fluido en fase líquida. 2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar las pérdidas por fricción en tubería

(de superficie o distribuidas), en válvulas y accesorios (de forma o localizadas).

Indicar la relación entre el caudal circulante y las pérdidas por fricción.

Indicar la influencia de la rugosidad de la tubería en las pérdidas por fricción.

3 EQUIPOS NECESARIOS Sistema compuesto por dos tramos recto de

tuberías (acero al carbono y de plástico), 22 codos de 90º de esquina cuadrada y válvula de compuerta.

Manómetro en U de Mercurio instalado en el sistema.

Bombas conectadas en paralelo Rotámetro 2.

4 DATOS EXPERIMENTALES Y TEÓRICOS Lectura de la variación de altura (∆h) en el

manómetro en U instalado en el sistema para diferentes caudales.

Caudal circulante en tubería, codos y válvula. Temperatura del agua. Diámetro de la tubería de acero al carbono

D = 36.5 mm. Diámetro de la tubería de plástico D = 28 mm. Longitud de cada una de las tuberías L = 2.27

metros Rugosidad Relativa, ε/D= 0.002. Factor de fricción, f (teórico). Coeficientes de pérdidas, K (teórica) del codo de

90º de esquina cuadrada y de la válvula de compuerta.

5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Encender el equipo y poner en circulación el fluido. Conectar las bombas en paralelo. Hacer circular el fluido por la tubería recta de acero al

carbono.

Abrir las válvulas de entrada y salida conectadas a la tubería de acero al carbono; así como las válvulas conectadas al manómetro en U de Mercurio (letras A y B)..

Verificar el cero en el manómetro, cerrando completamente la válvula del Rotámetro 2 (válvula Nº 10).

Fijar un caudal en el Rotámetro 2 manipulando la válvula Nº 10.

Tomar la lectura de manómetro (∆h) para el caudal fijado.

Repetir el procedimiento, colocando el flotador en el siguiente caudal y así sucesivamente hasta cubrir todos los caudales en el Rotámetro 2 (variando los caudales de 1000 en 1000).

Cerrar todas las válvulas conectadas a las mangueras.

Abrir las válvulas de entrada y salida conectadas a la tubería de plástico; así como las válvulas conectadas al manómetro en U de Mercurio (letras A y B)..

Repetir el mismo procedimiento seguido en la tubería de acero al carbono.

Abrir las válvulas de entrada y salida conectadas en el sistema formado por 22 codos de 90 º de esquina cuadrada, así como las válvulas conectadas al manómetro en U de Mercurio (letras A y B).

Repetir el mismo procedimiento seguido para la tubería de acero al carbono.

Cerrar todas las válvulas conectadas a las mangueras.

Abrir las válvulas de entrada y salida conectadas en la válvula de compuerta (completamente abierta, abierta ¾, abierta ½ o abierta ¼), así como las válvulas conectadas al manómetro en U de mercurio.

Repetir el mismo procedimiento seguido para la tubería de acero al carbono.

6 TRABAJO A REALIZAR Para Los Dos Tramos De Tubería Recta : Determinar las pérdidas por fricción

experimentales (hfexp) y el factor de fricción experimental (fexp)

Determinar el factor de fricción teórico (fteórico) utilizando:

Diagrama de Moody. Ecuación de Churchill.

Determinar las pérdidas por fricción teóricas (hfteóricas)

Graficar las pérdidas por fricción teóricas (hfteóricas) y experimentales (hfexp) vs. Caudal Real.

Comparar el factor de fricción experimental (fexp) y teórico (fteórico).

Comparar las pérdidas por fricción experimentales (hfexp) en los dos tramos de tubería.

Para codo de 90 º esquina cuadrada y válvula de compuerta: Determinar las pérdidas por fricción

experimentales (hKexp).y el coeficiente de pérdidas experimental (Kexp)

Determinar el coeficiente de pérdidas teórico (KTeóricO) utilizando: La Gráfica A-25ª de Tablas y Gráficas de la

Unidad I (Fuente: Crane, 1976) La Tabla A-24 de Tablas y Gráficas de la

Unidad I ( Fuente: Crane, 1976), realizando la corrección si el flujo está parcialmente desarrollado.

Determinar las pérdidas por fricción teóricas (hKteórica) para cada coeficiente de pérdidas teórico (KTeóricO) obtenido.

Graficar las pérdidas por fricción teóricas (hKteórica) y experimentales (hKexp). vs. Caudal Real.

Comparar el coeficiente de pérdidas experimental (Kexp) con cada coeficiente de pérdidas teórico obtenido (KTeóricO).

Realice el diagrama del equipo con la simbología correspondiente.

7 PRE-LABORATORIO

Investigar: 1. Formación de Capa límite y Flujo

completamente desarrollado. 2. Ecuación de Bernoulli corregida por efectos de

fricción, en unidades de longitud de líquido, presión y energía por unidad de masa.

3. Concepto de fricción. 4. Tipos de pérdidas por fricción. 5. Concepto de pérdida por fricción en tubería

(distribuida). 6. Concepto de pérdida por fricción en válvula y

en accesorio (localizada).

7. Fórmula de Darcy, en unidades de longitud de líquido, presión y energía por unidad de masa.

8. Factor de Fricción. Concepto, factores de los cuales depende y métodos para determinarlo.

9. Gráfica de Moody. Cómo está construida. Para qué y cómo se utiliza.

10. Gráfica en función del Factor de Fricción de Fanning y cómo se calcula este factor.

11. Parámetro de Rugosidad () y Rugosidad Relativa (/D). Concepto y cómo se determinan.

12. Gráficas para tuberías de acero comercial en función del diámetro nominal de la tubería.

13. Coeficiente de Resistencia ó Pérdidas (K). Concepto, factores de los cuales depende y métodos para determinarlo.

14. Influencia de la velocidad, diámetro, longitud, rugosidad y Reynolds en las pérdidas por fricción.

15. Fórmulas y cálculos necesarios para determinar las pérdidas por fricción en tuberías y accesorios tanto teóricas como experimentales.

8 TABLAS DE DATOS

Tabla 1. Tubería de Acero al Carbono Q Rotámetro (l/h) ∆h (cm)

Tabla 2. Tubería de Plástico Q Rotámetro (l/h) ∆h (cm)

Tabla 3. 22 Codos de 90 º de Esquinas Cuadradas

Q Rotámetro (l/h) ∆h’ (cm)

Tabla 4. Válvula de Compuerta (Completamente abierta, abierta ¾, abierta ½ o abierta ¼)

Q Rotámetro (l/h) ∆h (cm)

Temperatura del agua: _________

Tabla 5. Tubería de Acero al Carbono

Tabla 6. Tubería de Plástico

Tabla 7. Codo de 90 º

Tabla 8. Válvula de Compuerta

Donde: Caudal Real QReal: caudal real leído de la curva de calibración del Rotámetro 2 [m3/s] Diferencia de Presión medida por el manómetro en U de Mercurio

)(hP OHHg 2 [Pa]

∆P: caída de presión [N/m2]

∆h: dif. altura manómetro en U de Mercurio [m] γHg: peso específico del Mercurio a Tagua [N/m3] γH2O: peso específico del agua a Tagua [N/m3] Área transversal de la tubería

2D4

A

[m2]

D: diámetro de la tubería [m]

QReal (m3/s) ∆P (N/m2) hfexp (m) fexp f1teorico hf1teo (m) f2teorico hf2teo(m) % Error

∑ hfexp / n ∑ fexp / n ∑ f1teo / n ∑ hf1teo / n ∑ f2teo / n ∑ hf2teo / n

QReal (m3/s) ∆P (N/m2) hfexp (m) fexp f1teorico hf1teo (m) f2teorico hf2teo(m) % Error

∑ hfexp / n ∑ fexp / n ∑ f1teo / n ∑ hf1teo / n ∑ f2teo / n ∑ hf2teo / n

QReal (m3/s) ∆P (N/m2) hkexp (m) kexp (m) k1teo(m) hk1teo(m) k2teo hk2teo % Error

∑ hkexp / n ∑ kexp / n ∑ k1teo / n ∑ hk1teo / n ∑ k2teo / n ∑ hk2teo / n

Qreal (m3/s) ∆P (N/m2) hkexp (m) kexp (m) k1teo(m) hk1teo(m) k2teo hk2teo % Error

∑ hkexp / n ∑ kexp / n ∑ k1teo / n ∑ hk1teo / n ∑ k2teo / n ∑ hk2teo / n

Velocidad promedio del fluido

A

QV [m/s]

Número de Reynolds

OH

OH

2

2VD

Re

ρH2O: densidad del agua a Tagua [kg/m3] μH2O: viscosidad del agua a Tagua [Pa.s]

Pérdida por fricción en tuberías experimental

OHexp

2

Phf

[m]

Factor de fricción experimental

L

D

V

g2hff

2expexp

L: longitud de la tubería [m] g: aceleración de la gravedad [m/s2] Pérdidas por fricción en tuberías teórica

D

L

g2

Vfhf

2

teoteo [m]

fteo: Factor de fricción teórico adimensional calculado mediante la gráfica de Moody y la Ecuación de Churchill

Ecuación de Churchill

12/1

5,1

12

f)ba(

1

Re

82f

Lectura tomada en el manómetro en U para un codo de 90 º de esquina cuadrada ∆h = ∆h’ (para 22 codos)/22 codos [m] ∆h’: Lectura tomada en el manómetro en U para 22 codos de 90º de esquina cuadrada Pérdidas por fricción experimental en codo y válvula

OHexp

2

Phk

[m]

Coeficiente de pérdida experimental en codo y válvula

2expexp

V

g2hkk

Pérdidas por fricción teórica en codo y válvula

g2

Vkhk

2

teoteo [m]

kteo1: coeficiente de pérdida del accesorio por el método 1 kteo2: coeficiente de pérdida del accesorio por el método 2.

16Al/1Ln457,2a

16

Re

37530b

D27,0

Re

7Al

9,0

ff: factor de fricción de Fanning fD: factor de fricción de Darcy = 4 ff

PRÁCTICA 2

DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN UN SISTEMA DE TUBERÍAS REPORTE DE DATOS

MEDIDA DE ∆h A TRAVÉS DE TUBERÍA RECTA

Q Rotámetro (l/h) ∆h (cm) Acero al Carbono ∆h (cm) Plástico

MEDIDA DE ∆h’ A TRAVÉS DE 22 CODOS DE 90 º

Q Rotámetro (l/h) ∆h’ (cm)

MEDIDA DE ∆h A TRAVÉS DE VÁLVULA DE COMPUERTA

(Completamente abierta, abierta ¾, abierta ½ o abierta ¼)

Q Rotámetro (l/h) ∆h (cm)

Temperatura del A gua: ______

Sección: _______ Grupo: _______

Integrantes:

Nombre y Apellido C.I Firma

___________________ _______________ _______________ ___________________ _______________ _______________ ___________________ _______________ _______________ ___________________ _______________ _______________ ___________________ _______________ _______________