Laboratorio de Fluidos TUBERIAS

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología

PERDIDA DE CARGA EN TUBERÍAS OBJETIVOS



Estudiar en forma sistemática las pérdidas de carga lineal en conductos

Circulares, obteniendo una gama de curvas c urvas que relacionan los coeficientes de Pérdidas de carga "f" en función del número de Reynolds. Re ynolds. 

Estudiar las pérdidas de cargas c argas debido a los accesorios (singularidades) que

se instalan en un tramo de la tubería.

RESUMEN

Podemos decir que la mejor manera de comprobar de cuan c uan aproximado esta una teoría, es haciendo ensayos en los laboratorios, el cual, nos servirá para comprobar lo que obtenemos en el laboratorio con lo que esperamos obtener por lo calculado con la teoría. Analizando los datos del laboratorio, observaremos el efecto que causan las pérdidas de energía tanto por fricción como por accesorios accesorios o cambios instantáneos en la tubería. Las conclusiones que podemos sacar de estos tipos de ensayos van a ser provechosas en nuestra vida profesional, cuando nos encontremos con obras que requieren de dicha experiencia o conocimiento. co nocimiento.

Laboratorio N° 1

Perdida de Cargas en Tuberías


INTRODUCCIÓN

En el presente informe de laboratorio, se presenta el análisis de los resultados que se obtendrán trabajando con los datos que tomamos en el Laboratorio Nacional de Hidráulica, con el cual tendremos una idea más clara del comportamiento de los fluidos en las tuberías. En estructuras largas, la perdida por fricción es muy importante, por lo que es un objeto de constante estudio teórico experimental para obtener resultados técnicos aplicables. Es muy importante la diversidad actual de sistemas de transporte de fluidos se componen de tuberías y conductos tienen una extensa aplicación como ser las plantas químicas y refinerías parecen un laberinto en tuberías, lo mismo que pasa con las plantas de producción de energía que contienen múltiples tuberías y conductos para transportar los fluidos que intervienen en los procesos de conversión de energía. Los sistemas de suministro de agua a las ciudades y de saneamiento consisten en muchos kilómetros de tubería. Muchas maquinas están controladas por sistemas hidráulicos donde el fluido de control se transporta en mangueras o tubos. Para realizar el estudio se deberá tomar en cuenta la diferenciación entre los flujos laminares y los turbulentos para los cual recurriremos al número de Reynolds, a medida que el fluido fluye por un conducto u otro dispositivo, ocurren perdidas de energía debido a la fricción, tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo, es ahí donde parten los cálculos del laboratorio ya que a partir de la diferencia de presión obtenida en el inicio y final de la tubería es que obtendremos el factor de fricción de la tubería. La importancia de esta radica en que es muy necesario tomar en cuenta las pérdidas de energía por la fricción que se produce entre las paredes de las tuberías o de los diferentes accesorios que conforman determinado equipo, ya que esto se traduce en costos adicionales, y esto debe ser tomado en cuenta, ya que forma una parte esencial de la labor que cada uno de nosotros tendrá como futuros ingenieros de procesos, ya que la fricción ocasionada en la tubería puede dar como resultado daños en la misma, esto sucede por el flujo del fluido; cuando trae en su masa sedimentos que aparte de dañar todo un sistema de tubería de cualquier empresa por efectos de corrosión podría dañar equipos e instrumentos.

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FUNDAMENTO TEÓRICO En la figura, aplicando la ecuación de Bernoulli entre las secciones 1 y 4 de la tubería, a nivel del eje.

hf1-2 hl Z1 y Z4 P1 / y P4/ V1²/2g y V4²/2g

: Pérdida de carga por fricción entre 1 y 2 : Pérdida de carga local entre 1 y 4 (producido en el tramo 2-3) : Cargas de posición : Cargas debido al trabajo de presión. : Cargas de velocidad

Como la tubería tiene un diámetro constante en todos los tramos y están instalados horizontalmente, se tienen las velocidades V 1 = V2 y las cotas Z 1 =Z2, = Z3 = Z4, entonces:

Del equilibrio de fuerzas que generan el movimiento se obtiene la ecuación de Darcy:

Donde: f : Coeficiente de fricción. L : Longitud del tramo considerado D : Magnitud característica D = diámetro Si

la tubería es de sección circular

V g

: Velocidad media (v = Q/A) : Aceleración de la gravedad

Laboratorio N° 1


Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología Además:

Re k k/D  

: Número de Reynolds : Altura de rugosidad : Rugosidad relativa : Densidad : Viscosidad dinámica

El valor del coeficiente f está definido en función del tipo de flujo y del comportamiento hidráulico de la tubería. I. Flujo Laminar:

II. Flujo Turbulento: En necesario distinguir si el conducto se comporta hidráulicamente liso, rugoso o en transición a) En conductos lisos, para Re



5

3 x 10

b) En conductos hidráulicamente rugosos Rugosos, con flujo completamente turbulento, para Re elevados

c) En conductos hidráulicamente en transición

Laboratorio N° 1



MATERIALES PARA EL EXPERIMENTO (EQUIPOS) El equipo a usar para este experimento se denomina Banco de Tuberías para flujo turbulento. El cual tiene como finalidad el estudio de las pérdidas de carga en tres tuberías de diferentes, a través de los cuales escurre el agua preferentemente en flujo turbulento.

El equipo está formado por: 

Un



Un



Accesorios para medir las pérdidas de carga locales que serán acoplados al conducto de 80 mm. (codo, ensanchamiento y contracción venturímetro, válvula,).

banco de 3 tuberías cuya longitud es aproximadamente 9m. y los diámetros interiores son D1 = 80mm, D2 = 50mm. y D3 = 26mm. reservorio metálico con un controlador de nivel con un difusor en la parte superior, que alimenta las tuberías con un caudal constante.

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Una

batería de piezómetros conectados al tablero de medición con conductos flexibles (mangueras transparentes para poder medir las perdidas)

Los conductos y los accesorios deben ser instalados a presión en la posición adecuada para obtener la línea piezométrica correcta, y las correspondientes pérdidas de carga. Para realizar el experimento medir la temperatura del agua y las distancias entre los piezómetros de trabajo.

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PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO 1) Proceder a la apertura de la llave de desfogue y así circular agua a través de las tuberías del conducto elegido para el experimento. Para verificar el buen funcionamiento de los medidores de presión se debe aplicar una carga estática al equipo, cuando no exista flujo los piezómetros deben marcar la misma carga (figura Nº 3). 2) Realizar la medición del caudal que fluye por la tubería con el vertedero triangular calibrado (figura Nº 3). 3) Señalizar los tramos de tuberías en estudio entre 2 piezómetros consecutivos, medir la longitud del tramo. En este caso se utilizaran 5 tramos de medición, tres para definir las pérdidas de fricción y dos para las pérdidas de carga local. 4) Tomar nota de las mediciones de nivel en los cinco piezómetros instalados en la tubería. 5) Cambiar el caudal utilizando la válvula general instalada al final de la tubería y repetir un número de veces tal que asegure buenos resultados. 6) Medir la temperatura promedio del agua. 

Aplicamos una carga estática al equipo con el fin de garantizar el óptimo funcionamiento de nuestros piezómetros, cerciorándonos que para este caso estos estén al mismo nivel.

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Se procedió con el dimensionamiento de la tubería, así como la distancia entre piezómetros.



Una

vez empezó a circular el agua se midió la temperatura para conocer la viscosidad cinemática (). Temperatura =



18.5°C

Se midió el caudal en la tubería con la ayuda del vertedero triangular de 27º

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Se midió las presiones que indica cada piezómetro con la regla



Se cambio el caudal usando la válvula reguladora instalada al final de la tubería

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Se efectuaron ocho mediciones C

Nº

P1/Y

P2/Y

P3/Y

P4/Y

P5/Y

T P6/Y

h

al

al

h1

Q1

h2

Q2

1

224,60 224,10 224,00 213,00 222,90 222,10

101,0

1,10

2

222, 50 221,70 221,60 202, 60 219, 00 218, 00

115, 7

1,54

115

1,52

116

1,55

3

220, 00 218,80 218,70 189, 80 214, 70 213, 50

127, 8

1,97

127

1,95

128

1,98

4

217,90 216,50 216,30 179,50 211,30 209,70

133,0

2,18

5

215,90 214,30 214,20 169,40 208,20 206,30

140,0

2,48

6

214, 30 212,40 212,20 160, 30 205, 30 203, 30

144, 9

2,62

144

2,66

143

2,71

7

213, 20 211,10 211,00 155, 50 203, 50 201, 40

147, 9

2,90

147

2,80

148

2,91

8

209, 80 207,50 207,30 138, 40 198, 20 195, 30

154, 8

3,19

154

3,15

155

3,20

Interpolando obtenemos los valores de los caudales en cada medida. DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE PÉRDIDA DE CARGA

eoría:

T

Esquema del equipo usado en el ensayo

En la figura, aplicando la ecuación de Bernoulli entre las secciones 1 y 6 de la tubería, a nivel del eje.

onde:

D

                                     Pérdida de carga por fricción entre 1 y 2.

Pérdida de carga local entre 1 y 6 (producido en el tramo 3-4).

Z = Carga de posición.

  

= Carga debido al trabajo de presión.

= Carga de velocidad

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología Como la tubería tiene un diámetro constante en todos los tramos y están instalados horizontalmente, se tienen las velocidades V 1 = V2 y las cotas Z 1 = Z2 = Z3 = Z4 = Z5 = Z6, entonces:

           

«««««««««. (Diferencia de niveles en los piezómetros 1 y 2).



Del equilibrio de fuerzas que generan el movimiento se obtiene la ecuación de Darcy:



    

onde:

D

= Coeficiente de fricción. = Longitud del tramo considerado

 = Magnitud característica D = diámetro si la tubería es de sección circular



= Velocidad media (v = Q/A) = Aceleración de la gravedad

Además:

    

  

;

= Número de Reynolds  = Altura de rugosidad 

 

= Rugosidad relativa



= Densidad



= Viscosidad dinámica

El valor del coeficiente f está definido en función del tipo de flujo y del comportamiento hidráulico de la tubería; estos se clasifican en: I. Régimen Laminar , Re 2000

   

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología II. Régimen Turbulento: En necesario distinguir si el conducto se comporta hidráulicamente liso, rugoso o en transición a) En conductos lisos , para Re  3105

    

 





b) En conductos hidráulicamente rugosos con flujo completamente turbulento, para Re elevados

           

 





c) En conductos hidráulicamente en transición

            

 









La síntesis de estas relaciones se encuentra en el gráfico de Moody, y permiten la aplicación directa de las ecuaciones para diversos regímenes. La utilización del gráfico de Moody consiste en: a)

De las características de la tubería hallar k utilizando una tabla donde indican la calidad de tubería y el valor k (ver gráfico de Moody).

b)

Hallar la rugosidad relativa (k/D) para identificar la curva correspondiente en el gráfico.

c)

Utilizando

la viscosidad del fluido a la temperatura observada y los valores de

velocidad, hallar el número de Reynolds (Re). d)

Con (k/D) y Re ingresar al gráfico de Moody para leer el coeficiente de fricción "f".

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RESULTADOS Y CUESTIONARIO a) DE LOS DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO C Nº

P1/Y

P2/Y

P3/Y

P4/Y

T

P5/Y

P6/Y

al Q

h

al

h1

Q1

h2

Q2

1

224,60 224,10 224,00 213,00 222,90 222,10

101,0

1,10

2

222, 50 221,70 221,60 202, 60 219, 00 218, 00

115, 7

1,54

115

1,52

116

1,55

3

220, 00 218,80 218,70 189, 80 214, 70 213, 50

127, 8

1,97

127

1,95

128

1,98

4

217,90 216,50 216,30 179,50 211,30 209,70

133,0

2,18

5

215,90 214,30 214,20 169,40 208,20 206,30

140,0

2,48

6

214, 30 212,40 212,20 160, 30 205, 30 203, 30

144, 9

2,62

144

2,66

143

2,71

7

213, 20 211,10 211,00 155, 50 203, 50 201, 40

147, 9

2,90

147

2,80

148

2,91

8

209, 80 207,50 207,30 138, 40 198, 20 195, 30

154, 8

3,19

154

3,15

155

3,20

Calculo de la densidad

T mp

v c c

mc v c c

c

m

T



u

v

15

101,94

0,0001170

0,000001150

18,5

101,8

0,0001079

0,000001059

20

101,74

0,0001040

0,000001020

c

a.1) CÁLCULO DEL NÚMERO DE REYNOLDS Con D = 80 mm

        

V80 0,

Laboratorio N° 1

- 80 V50 6

-50

0, 60

26 28

0,785

37023

,005

47426

0,307

23 3

0,3 3

296

0,434

32734

1,110

52375

0,493

37239

1,263

59582

0,520

39266

1,332

62826

0,577

43531

1,476

69649

0,635

47900

1,625

76640



a.2) CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN (hf) Y PERDIDAS LOCALES (h) Longitud 1-2= 2 m Longitud 2-3= 0.43 m Longitud 3-4= 0.16 m  perdida local - contracción Longitud 4-5=0.44 m  perdida local - expansión Longitud 5-6= 2 m

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Nº

R hf 1,2

R R M hf 2,3

1 2 3 4 5 6 7 8

0,0050 0,0080 0,0120 0,0140 0,0160 0,0190 0,0210 0,0230

0,0010 0,0010 0,0010 0,0020 0,0010 0,0020 0,0010 0,0020

hlc

0,1100 0,1900 0,2890 0,3680 0,4480 0,5190 0,5550 0,6890

hl e

0,0990 0,1640 0,2490 0,3180 0,3880 0,4500 0,4800 0,5980

hf

,6

0,0080 0,0100 0,0120 0,0160 0,0190 0,0200 0,0210 0,0290


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CALCULO

EL COEFICIENTE

D

E CHEZY Y EL COEFICIENTE

E HAZEN Y

D

D

WILLIAMS

        

  



# ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 

hf prom 0.4000 0.6000 0.9667 3.7667 1.5000 2.0667 2.7333 3.2667

CALCULO

f prom 0.0531 0.0428 0.0351 0.0838 0.0271 0.0264 0.0303 0.0291

C 38.439 42.840 47.268 30.598 53.799 54.497 50.877 51.888

Ch 8.00347275 8.77442865 9.4958952 5.81728957 10.6172103 10.6160711 9.79917431 9.92200948

E LA VELOCIDAD MÁXIMA, ESFUERZO

D

E COR TE Y

D

VELOCIDAD DE COR TE

                   







# ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8

Laboratorio N° 1

0.2431

0.0531

0.3318

0.0428

0.4647

0.0351

0.5938

0.0838

0.6589

0.0271

0.7834

0.0264

0.8411

0.0303

0.9378

0.0291









0.3232

0.0198

0.3913

0.4300

0.0242

0.5876

0.5892

0.0308

0.9451

0.8397

0.0608

3.6844

0.8140

0.0383

1.4669

0.9655

0.0450

2.0202

1.0505

0.0518

2.6727

1.1666

0.0566

3.1909


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CALCULO

E LA ALTURA

D

E RUGOSIDAD K Y ESPESOR DE LA CAPA

D

LIMITE

                    





#



 





ensayo 1

0.0198

2

0.0242

3

0.0308

4

0.0608

5

0.0383

6

0.0450

7

0.0518

8

0.0566

Laboratorio N° 1

0.0531

24190

0.0428

33019

0.0351

46242

0.0838

59089

0.0271

65562

0.0264

77954

0.0303

83694

0.0291

93315



comportamiento hidráulico

        

0.00047

1.87*

TRANS

0.00038

1.03*

TRANS

0.00030

5.5*

TRANS

0.00015

5.5*

R UGOSO

0.00024

2.03*

TRANS

0.00021

1.89*

TRANS

0.00018

3.47*

TRANS

0.00016

3.01*

TRANS



CONCLUSIONES 

Siempre va haber perdida de Energía en un fluido, a causa de longitudes significativas de tuberías o ha accesorios o cambios en dimensiones en la tubería.



En toda tubería, a mayor longitud de tubería mayor pérdida de energía



En longitudes cortas en donde esté ubicado un accesorio, la mayor pérdida de energía se deberá a la perdida local a causa del accesorio.



El resultado se aleja demasiado de lo esperado, para una tubería de acero galvanizado, el cual se debe al deterioro o antigüedad de la tubería.

RECOMENDACIONES 

Limpiar la tubería o en su defecto realizar una renovación para mejorar la calidad del ensayo, puesto que se encontró anormalidades en la toma de datos.



Si, queremos resultados reales del experimento, podemos considerar coeficientes de seguridad, según la antigüedad o deterioro de la tubería.



Tener cuidado a la hora de apuntar los resultados, considerando la evacuación (depurado de la tubería) de las burbujas de aire atrapado en la tubería.



En la toma de datos debemos esperar que el caudal se estabilice, para de ese modo tener un caudal constante, debido al cambio de diámetro en la salida del agua.



Delegarse funciones: control de tiempo, temperatura, caudal, carga de agua en el estanque, etc., de tal forma que se lleve a cabo un buen ensayo; reduciendo errores propios.

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología B I B L IOGRAFÍA

Libros

-

Arturo Rocha, Hidráulica de tuberías y canales, 1era edición, U NI, Lima, 1998. Robert L. Mott, Mecánica de Fluidos Aplicada, 4ta edición, Prentice Hispanoamericana S.A., México, 1996. Víctor L. Streeter, Mecánica de los fluidos, 4ta edición, Mc Graw Hill, México, 1972.

Hall

Notas de Clase

-

Curso: Mecánica de Fluidos II HH224-K, Ing. Campaña

Laboratorio N° 1


Laboratorio de Fluidos TUBERIAS

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