7.Perdidas de energia en conductos por friccion y accesorios PDF

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PRACTICA N°PERDIDAS DE ENERGIA EN CONDUCTOS A PRESIONPOR FRICCION Y POR ACCESORIOS[1]Medina L, [1] Mora B, [1] García Y, [1] Torres A, [1] Marimón R. [2] Roca J. [1] Estudiantes de Ingeniería Civil de la Universidad de Cartagena. [2] Docente de Laboratorio de Mecánica de Fluidos.RESUMENPara esta prá...

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PRACTICA N°7 PERDIDAS DE ENERGIA EN CONDUCTOS A PRESION POR FRICCION Y POR ACCESORIOS [1]

Medina L, [1] Mora B, [1] García Y, [1] Torres A, [1] Marimón R. [2]

[1]

Roca J.

Estudiantes de Ingeniería Civil de la Universidad de Cartagena. [2]

Docente de Laboratorio de Mecánica de Fluidos.

RESUMEN Para esta práctica de mecánica de fluidos se requería hallar experimentalmente las pérdidas de energías por fricción en conductos a presión. Se utilizó un sistema de tuberías con un tanque aforado y un tanque de almacenamiento, un manómetro, una bomba de succión, un cronómetro, cinta métrica y agua. Se tenían once sistemas, para las cuales se tuvo en cuenta su longitud y la cantidad de accesorios en cada una de estas. En cada sistema se abría la válvula y se dejaba pasar el fluido, con el manómetro se medía el ( ∆ h ) en cada columna de agua, además con el cronometro con un tiempo constante para el tiempo de llenado del tanque de almacenamiento con ayuda de la cinta métrica se tomaba lectura de los niveles iniciales y finales del fluido contenido. Se requería determinar las perdidas teóricas y compararlas con las obtenidas experimentalmente de donde fue posible observar que algunas discrepancias son demasiado grandes debido a una mala calibración de las maquinas o mala toma de datos. PALABRAS CLAVES: Perdidas, Tuberias, Accesorios. ABSTRACT For this practice fluid mechanics required experimentally finding the friction energy losses in pressure conduits. A piping system with a volumetric tank and a storage tank, a pressure gauge, a suction pump, a stopwatch, and water tape was used. Eleven had systems for which took into account the length and the number of accessories in each of these. In each system the valve will open and let in the fluid, the pressure gauge measuring the (Dh) in each column of water in addition to the timer with a constant time to time filling the storage tank using the tape reading the initial and final levels of the fluid is taken. It is required to determine the theoretical loss and compare them with those obtained experimentally where it was possible to observe that some discrepancies are too large due to poor calibration of the machines or poor data collection. KEYWORDS: Missed, pipes, fittings.

1. OBJETIVOS

pérdidas de energía por fricción en conductos a presión de acuerdo al



Determinar experimentalmente las pérdidas de energías por fricción en

conductos

a

presión

de

acuerdo al régimen de flujo y al tipo de accesorios utilizados. 

régimen de flujo y al tipo de accesorio utilizado. A través de la experiencia de laboratorio, también se buscó conocer qué son y cómo funcionan los distintos accesorios en tuberías y cuál es su incidencia en la sumatoria de pérdidas

Determinar las perdidas teóricas y compararlas con las obtenidas experimentalmente.

de energía. 3. MARCO TEORICO Las pérdidas en una tubería son de dos tipos primarias y secundarias.

2. INTRODUCCIÓN Debido

a

que

las

instalaciones

industriales en su mayor parte están constituidas por válvulas y accesorios, es necesario un conocimiento de su resistencia al paso de fluidos para determinar las características de flujo en

Las válvulas y accesorios se encargan de controlar la dirección o el flujo del

fluido

de superficie en el contacto del fluido con la tubería, el rozamiento de las capas de fluido con otras cuando el flujo es laminar o el rozamiento de las partículas entre si cuando el flujo es turbulento.

un sistema completo de tuberías.

volumétrico

Las perdidas primarias son las pérdidas

generando

turbulencia local en el fluido, esto ocasiona una pérdida de energía que se transforma en calor. Estas pérdidas son

La ecuación general de las pérdidas primarias

o

ecuación

de

Darcy-

Weisbach. H rp =f

L v2 (1) D2g

Dónde:

consideradas menores en comparación a las pérdidas por fricción en las



primaria

tuberías.  La intención de la presente práctica fue determinar

Hrp, es las pérdidas de carga

experimentalmente

las

f=coeficiente de perdida de carga primaria



L= longitud de la tubería



D= diámetro de la tubería



V=velocidad media del fluido

Las

pérdidas

secundarias

son

las

pérdidas de forma, que tiene lugar en las transiciones como estrechamientos o

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

expansiones de corriente, codos válvulas

Para llevar a cabo la realización de esta

y en toda clase de accesorios en tubería.

práctica, se tu vieron en cuenta 10 tipos distintos

La ecuación fundamental de las pérdidas secundarias H rs=k

de

encontramos,

sistemas,

en

los

que

sistema recto y sistema

con accesorios (codo de 45°, codo de 180° tramo corto y tramo largo, válvula

v2 (2) 2g

de globo, válvula de compuerta, t de paso directo t en derivación y codo de

Donde

90° radio corto y radio largo). Primero, se 

Hrs=perdida de carga secundaria

midieron las dimensiones del tanque de



K= coeficiente adimensional de

almacenamiento,

carga secundaria

enciende la bomba y se procede a medir

V= velocidad media en la tubería

la longitud de cada tubería; se midió la

 El

coeficiente

fundamental

k

de

de

la

perdida

ecuación secundaria

depende del tipo de accesorio, del número de Reynolds, de la rugosidad y hasta de la configuración de la corriente

posteriormente

se

temperatura del agua para obtener un valor de viscosidad, posteriormente, en cada sistema se midió la diferencia de presión de entrada y de salida con un manómetro, la longitud de la tubería y la velocidad en que el agua llenaba un

antes del accesorio.

tanque de almacenamiento en un tiempo accesorios Válvula de globo

K 4,

determinado; se tuvo en cuenta el

Codo 45°

9 0,

valor constante de 13mm.

Codo 90° radio corto

2 0,

Codo corto

180°

5 radio 2, 2

diámetro de las tuberías, el cual tiene un

5. MATERIALES

 Sistema de tuberías (Anexo Fig.1)  Tanque aforado (Anexo Fig. 2).

largo Tabla 2. Datos obtenidos durante la práctica.

 Tanque de almacenamiento.  Manómetro (Anexo Fig. 3).  Bomba de succión.  Cronómetro.  Cinta métrica.  Agua.

TUBERIA

6. RESULTADOS Y DISCUSION De acuerdo al procedimiento descrito con

anterioridad,

se

obtuvieron

los

siguientes datos, correspondientes a la diferencia de presiones, el tiempo que tardo en llenarse hasta cierto punto el tanque

de

almacenamiento,

las

longitudes de cada tubería y el número de accesorios. TUBERIA

TIEMP O (seg)

NIVEL INICIA L (mts))

Recto Codo 45° Codo 180° tramo largo Codo 180° tramo corto Válvula de globo Válvula de compuert a T directo T en derivación Codo 90° radio corto Codo 90° radio

10,41 10,07 10,01

0,14 0,05 0,05

NIVE L FINA L

(mts) 0,263 0,155 0,12

∆P (mts)

0,63 0,88 1,21

LONGITUD (mts)

No ACCESORIO S 0 12 4

Recto 3,34 Codo 45° 3,34 15,02 Codo 180° tramo largo 7,60 16 Codo 180° tramo corto Válvula de 3,34 5 globo Válvula de 3,34 5 compuerta T directo 3,34 6 T en 4,24 12 derivación 4,45 12 Codo 90° radio corto 3,87 12 Codo 90° radio largo Tabla 3. Datos obtenidos durante la práctica.

De acuerdo a los datos obtenidos, se procede a calcular las perdidas primarias

9,95

0,055

0,127

1,175

10,27

0,08

0,14

1,29

10,28

0,055

0,175

0,73

y secundarias en cada tubería. Perdidas primarias: Utilizando la ecuación (1), se procede a calcular las pérdidas primarias en cada

10,29 10,30

0,055 0,052

0,172 0,138

0,705

tubería, teniendo en cuenta el diámetro,

1,08

la longitud y la velocidad del flujo. Se

10,18

0,05

0,13

1,09

utilizara un coeficiente de perdida de carga

10,01

0,06

0,155

0,935

primaria

que

número de Reynolds.

dependerá

del

Diámetro: 0,013mts

Q=

0,00922 mts3 10,41 seg

Temperatura: 32°C Viscosidad: 0,804 * 10 mts /seg -6

2

Para calcular la velocidad, se tiene en

Q=8,86∗10−4

La velocidad está dada, entonces:

cuenta la ecuación que define caudal, v=

donde: Q=

Volumen = Area∗velocidad tiempo

Para poder calcular el volumen de agua, es necesario conocer las dimensiones del tanque de almacenamiento.

mts 3 seg

Caudal Area 3

m ts seg v= 2 2 π (0,0065) mts 8,86∗10−4

v =6,68

mts seg

Se procede a calcular el número de

Ancho: 0,3mts

Reynolds.

Largo: 0,25mts Para cada sistema el volumen del

ℜ=

vD V

tanque varia, se procede a calcular el volumen para 3 tipos de sistema, el caudal, el número de Reynolds y por

mts )(0,013 mts) seg mts 2 0,804∗10−6 seg

(6,68 ℜ=

último la perdida primaria.

ℜ=108009,95

Tubo recto: Vol =ancho∗largo∗( Nivel final−Nivelincial )

Se utilizara este número para obtener el coeficiente de perdida de carga primaria,

Vol=0,3∗0,25∗(0,263−0,14 )

donde

3

Vol =0,00922 mts

f=

0.3164 ℜ0.25

f=

0.3164 108009,95 0.25

Teniendo en cuenta la ecuación de caudal.

f =0,017

Teniendo el coeficiente, la velocidad del

fricción más la perdida por accesorios,

flujo, la longitud de la tubería y el

de esta manera se mostrará cómo se

diámetro de la misma se puede proceder

calculó la perdida por accesorios en la

a calcular la pérdida de carga primaria

tubería con codos de 45°.

teórica, utilizando la ecuación (1).

Teniendo en cuenta la ecuación (2), se

mts seg ¿ ¿ ¿2 (3,34 mts )¿ H rp =0,017∗¿

hallara la perdida secundaria o por

H rp=1,5 mts

secundaria perteneciente a los codos de

6,68

accesorios de la tubería con codos de 45°, considerando además el número total de codos que esta presenta y el coeficiente adimensional por perdida 45°, mostrado en la tabla 1.

Ahora, se calcula la perdida por fricción experimental en el tubo recto. Kg Kg −1000 3 ) 3 m m Kg 1000 3 m

∆ p∗(13600 H rpexp=

Kg Kg −1000 3 ) 3 m m Kg 1000 3 m

mts∗(13600 H rpexp=0,63

Kg Kg −1000 3 ) 3 m m Kg 1000 3 m

∆ p∗(13600 H rpexp=

H rpexp=7,9 mts

Tubería con codo de 45°: De la misma manera que para el tubo recto, se debe calcular la velocidad, en función del caudal; esto quiere decir, que se hallara el volumen de acuerdo a la lectura de nivel realizada en el tanque, teniendo en cuenta que el ancho y el largo de este permanecen constantes, se tiene. Vol=0,3∗0,25∗(0,155−0,05 ) Vol =0,00788 mts3 En base al volumen y el tiempo gastado, se tiene:

De esta manera se procedió para el resto de tuberías, en cuanto a perdidas por fricción se refiere, sin embargo en las tuberías con accesorios la pérdida total estará dada por la perdida por

Q=

0,00788 mts3 10,07 seg −4

Q=7,83∗10

mts 3 seg

La velocidad está dada por:

número total de accesorios obtendremos la pérdida secundaria total.

mts3 7,83∗10 seg v= 2 π (0,0065) mts2 −4

H rs=0.35 mts∗12 H rs=4.2 mts

mts v =5,90 seg

La pérdida secundaria experimental, estará dada:

Con la velocidad, el coeficiente de carga secundaria correspondiente y la

Kg Kg −1000 3 ) 3 m m Kg 1000 3 m

mts∗( 13600

gravedad, se procede a calcular la

H rpexp=0,88

perdida teórica por accesorio. mts seg ¿ ¿ ¿2 ¿ H rs=0,2∗¿ 5,90

H rpexp=11.01 mts

De esta manera se procedió para todas las tuberías que presentaron accesorios, obteniendo los resultados mostrados a

H rs=0.35 mts

continuación,

de

manera

más

sistematizada.

Esta sería la perdida causada por un solo accesorio, al multiplicar por el Tuberías Recta de 45⁰ Tramo Largo 180  Tramo corto 180  Válvula de Globo Válvula de Compuert a T de paso directo T en

V (mts3)

Q (mts3/seg)

(mts/seg)

0,0092 2 0,0078 8 0,0052 5

0,000886

V

Re

f

N° Acc

Hrp

Hrs

6,68

108009,95

0,017

-

1,5

-

1,5

7,9

0,000783

5,90

95398,01

0,018

12

1,39

4,2

5,59

11,01

0,000524

3,95

63868,16

0,020

4

4,6

7

11,6

15,25

0,0054

0,000543

4,09

66131,84

0,020

16

2,44

30,08

32,52

14,81

0,0045

0,000438

3,30

53358,21

0,021

5

0,91

13,6

14,51

16,25

0.009

0,000875

6,59

106554,73

0,018

5

1,55

1,1

2,65

9,2

0,0087 8 0,0064

0,000853

6,43

103967,66

0,018

6

1,52

3,78

5,3

8,9

0,000626

4,72

76318,41

0,019

12

1,49

7,44

8,93

13,60

Ht

Hexp

derivació 5 n 0,006 0,000589 4,44 71791,04 0,019 12 1,47 Codo de 90⁰ radio corto 0,0071 0,000711 5,36 86666,67 0,018 12 1,46 Codo de 90⁰ radio 2 largo Tabla 4. Resultados de las perdidas primarias y secundarias para cada tubería.

6

7,47

13,73

5,28

6,74

11,78

De acuerdo a los resultados obtenidos

grande, además cabe destacar que tanto

de las perdidas teóricas y las perdidas

los accesorios como la fricción generan

experimentales,

pérdidas significativas de energía en el

se

calculara

el

agua a medida que esta recorre las

porcentaje de error. TUBERIAS

Ht

Hexp

Discrepancia (%)

Recta 1,5 7,9 100 de 45⁰ 5,59 11,01 97 11,6 15,25 31 Tramo Largo 180  Tramo 32,52 14,81 54 corto 180  Válvula de 14,51 16,25 11 Globo Válvula de 2,65 9,2 71 Compuerta 5,3 8,9 68 T de paso directo 8,93 13,60 52 T en derivación Codo de 7,47 13,73 83 90⁰ radio corto Codo de 6,74 11,78 75 90⁰ radio largo Tabla 5. Discrepancias obtenidas a partir de los resultados.

7. CONCLUSIONES Con base a los resultados obtenidos

tuberías. En cuanto a las comparaciones de las pérdidas se puede observar que sus discrepancias (porcentaje de error entre ellas) son muy altas, esto se debe a

una

mala

posiblemente

a

toma

de

datos

o

que

las

maquinas

utilizadas no estén bien calibradas.

8. BIBLIOGRAFIA

 [[PDF] CRANE. Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías. Universidad de Guadalajara. 215 p. https://es.scribd.com/doc/1845529 0/Flujo-de-Fluidos-en-ValvulasAccesorios-y-Tuberias-Crane

 [PDF] Pérdidas por fricción en

anteriormente se puede observar que los

tuberías y accesorios. 8 p.

flujos estudiados son turbulentos, ya que

http://www.academia.edu/5440138 /P %C3%89RDIDAS_POR_FRICCI

presentan un número de Reynolds muy

%C3%93N_EN_TUBER %C3%8DAS_Y_ACCESORIOS

ANEXOS Fig. 1 Sistema de tuberías.

Fig. 2 Tanque aforado.

Fig. 3 Manómetro de mercurio....