Universidad Politécnica Territorial del Estado Barinas "José Félix Ribas" (UPTJFR) – Barinas – Socopó Programa Nacional de Formación en Construcción Civil
MECANICA DE FLUIDOS PARA INGENIEROS
AUTORES: T.S.U Luisa Niño C.I: 21.171.402 T.S.U Néstor Pérez C.I: 84441983 T.S.U Carlos López C.I: 19.825.238
Socopo, Mayo de 2013
Introducción
El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una pérdida de energía, que suele expresarse en
términos de energía por unidad de peso
de fluido circulante
(dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga. En el caso de tuberías horizontales, la pérdida de carga se manifiesta como una disminución de presión en el sentido del flujo. La pérdida de carga está relacionada con otras variables fluido dinámicas según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento. Además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de los conductos), también se producen pérdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, válvulas. Las bombas son de gran importancia en el desplazamiento de los fluidos, debido a su capacidad de producir vació, con lo cual se puede empujar el fluido hacia donde se desea transportar. La importancia que tienen algunos fluidos en el desarrollo de la vida, como lo es el agua, por ejemplo. Los seres humanos, animales y vegetales, por cierto, son literalmente seres basados en agua. El cuerpo humano, por citar un caso, tiene aproximadamente un 71% de agua, con lo cual queda en claro la importancia de la misma en el desarrollo de la vida humana y de los seres vivos en general. En nuestro informe se calculó un tanque elevado con una capacidad de 2000lts, que tiene una fuerza de empuje de una bomba de potencia de ½ hp ubicado en el sector 12 de marzo (comando de la guardia), del Municipio Cruz Paredes Parroquia Barracas Estado Barinas. Mediante formula de Bernoulli, Hazen W logramos con éxito el cálculo del diseño empírico y el recalculo de nuestro diseño a su vez la comparación de eficiencia de ambos.
Introducción
El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una pérdida de energía, que suele expresarse en
términos de energía por unidad de peso
de fluido circulante
(dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga. En el caso de tuberías horizontales, la pérdida de carga se manifiesta como una disminución de presión en el sentido del flujo. La pérdida de carga está relacionada con otras variables fluido dinámicas según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento. Además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de los conductos), también se producen pérdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, válvulas. Las bombas son de gran importancia en el desplazamiento de los fluidos, debido a su capacidad de producir vació, con lo cual se puede empujar el fluido hacia donde se desea transportar. La importancia que tienen algunos fluidos en el desarrollo de la vida, como lo es el agua, por ejemplo. Los seres humanos, animales y vegetales, por cierto, son literalmente seres basados en agua. El cuerpo humano, por citar un caso, tiene aproximadamente un 71% de agua, con lo cual queda en claro la importancia de la misma en el desarrollo de la vida humana y de los seres vivos en general. En nuestro informe se calculó un tanque elevado con una capacidad de 2000lts, que tiene una fuerza de empuje de una bomba de potencia de ½ hp ubicado en el sector 12 de marzo (comando de la guardia), del Municipio Cruz Paredes Parroquia Barracas Estado Barinas. Mediante formula de Bernoulli, Hazen W logramos con éxito el cálculo del diseño empírico y el recalculo de nuestro diseño a su vez la comparación de eficiencia de ambos.
Actualmente en la comunidad de 12 de Marzo Municipio Cruz Paredes Parroquia Barrancas Barrancas hay necesidad de sistemas de bombeos centrífugos ya que el agua no es constante con la presión con el caudal y el agua necesita una ayuda para llenar a los tanques elevados de almacenamiento de agua. Por no contar con el conocimiento necesario existe sobre un cálculo del sistema de bombeo en conjunto con la red de tuberías a conocer porque esta sobre diseñado y al proyectarle nuestro diseño de sistema de bombeo con nuestros accesorios de menor costo y mayor eficiencia.
OBJETIVOS DEL INFORME
OBJETIVO GENERAL
Aplicar los conocimientos adquiridos de mecánica de fluidos empleando los métodos más usuales para el cálculo de flujo confinado, sistemas de bombeo y canales.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Describir la aplicación los diferentes principios utilizados para el cálculo de presiones, volúmenes y caudales. Establecer los diferentes parámetros de diseño utilizando los métodos referentes al sistema de bombeo. Diseñar y analizar situaciones reales de sistemas de redes de tuberías y de canales.
PATE I EJERCICIOS DE LAS CLASES
1. Determinar la presión en sobre una superficie sumergida a 6 m de profundidad en una masa de agua.
58860 Pa =58,860kpa
2. Determinar la presión a una profundidad de 9 m de un aceite de = 0,750. además de la presión absoluta si la lectura barométrica es de 75,6 cm de Hg
3. Si la velocidad en una tubería de 30 cm de diámetro es de 0,50 m/s. ¿Cuál será la velocidad de el chorro en una boquilla de 7,5 cm en el extremo de la tubería? Rpta: 8 m/s 7,5m/s 30cm DATOS:
/s
4. Agua fluye a 38°C a lo largo de 250m de tubería de hierro fundido de 0,30 de
∅
interior, la salida B esta a por encima de la entrada a 10 m y la presión en B debe ser de 1,4x . Si por la tubería fluye 220 L/s, cual es la presión en A. Rpta: 3,127x
10m
0.30m
250m
DATOS:
:℃ L1=250M Ø=0,30 L2=10m
℃ HIERRO FUNDIDO
T
38
µ
6,168X
ρ 990,8
5. Si la tensión cortante en la pared de una tubería de 30 cm es de 5.0 kg/m² y ƒ=0,040, ¿Cuál es la velocidad media (a) si fluye agua a 21°C, (b) si fluye un líquido de densidad relativa 0,70?
Despejando V
Si s=0,7
6. ¿Cuáles son las velocidades de corte en el problema procedente?
S = 0.7
7. A través de una tubería de 15 cm y 60 m e longitud esta fluyendo agua y la tensión cortante en las paredes es 4.60 kg/m2. Determinar la perdida de carga.
8. ¿Qué radio a de tener una tubería para que la tensión cortante en la pared sea de 3.12 kg/m2 cuando al fluir agua a lo largo de 100 m de tubería produce una perdida de carga de 6 m?
9. Calcular la velocidad critica (inferior) para una tubería de 10 cm que transporta agua a 27°C.
REGION CRÍTICA INRE=2000
10. Calcular la velocidad critica (inferior) para una tubería de 10 cm que transporta un fuel-oil pesado a 43°C.
CRITICA INFERIOR Fuel ̴ oil
t= 43°C
11. ¿Cuál será la caída de la altura de presión en 100 m de una tubería nueva de fundición, horizontal, de 10 cm de diámetro, que transporta un fuel-oil medio a 10°C, si la velocidad es e 7.5 cm/seg?
TUBERIA NUEVA DE FUNDACION
12. ¿Cuál será la caída de la altura de presión en el problema 33 si la velocidad del fueloíl es de 1,20 m/s?
SC V= 1,2
M S
ŊRE= 1,2
M
X 0,1 M = 2,33-
5,16- S
S
ECUACIÓN SWANNE Y JAIN
TUBERIA FUNDICIÓN (TABLA) F= 0,12mm =1,2 X
ƒ = 0,028
hL= 0,028 x
m=
13. Considerando únicamente las pérdidas en la tubería, ¿Qué altura de carga se necesita para transportar 220 l/seg de un fuel-oíl pesado a 38° C a través de 1000 m de una tubería nueva de fundición de 30 cm de diámetro interior? Utilizar E= 0,024 cm
Fuel – oil
℃ V
INRe
E= 0,024cm x
= 2,4 x 1m
Ecuación Swanne y Jain
= 0,03
14. En el problema 35 ¿Qué valor mínimo de la viscosidad cinemática del fuel-oíl producirá un flujo laminar?
Flujo laminar
VELOCIDAD FLUJO LAMINAR
VISCOCIDAD FLUJO LAMINAR
15. Al considerar las perdidas en las tuberías únicamente, ¿qué diferencia en la elevación de dos depósitos, que distan 250m, dará un caudal de 30 l/seg de un aceite lubricante medio a 10° C, a través de una tubería de 15 cm de diámetro? Tubería acero comercial
Aceite lubricante medio
Ecuación Swanne y Jain
* + [()() ]
16. Un aceite de densidad relativa 0,802 y viscosidad cinematica 1,86 x 10-4 m2/seg fluye desde el deposito A al deposito A al deposito B a travez de 300m de tubería nueva, siendo el caudal de 88 1/seg. La altura disponible es de 16 cm ¿Qué tamaño de tubería deberá utilizarse? Sol 60cm Q = V.A → V= Q
A δ = 0,802
µ= 1,86x 10-4m2/seg L= 300m Q= 88LT/ seg →o,088m3/seg
Z= 16 cm Ø= ? Q= 80LT x 1m3 = 0,088m3/seg Seg
1000LT
V= Q → 0,088m3/seg
3,14. Ø2
A
4 V= 0,1121 m/seg Ø = d[m] Bernoulli PA - VA2 + ZA - h L= Pb + Vb2 + Zb 2.g
2.g
V2
ZA - Zb = h L =Pb + F_ L . D
2g
Z= ZA - Zb = F . L . V 2 = 0,16m altura disponible D
2.g
F. L . V2 = Z L 2.g δ = 0,802
V= 1,86x 10-4m/seg →asumimos la zona inferior de la zona critica 2000≤ NRe ≤ 4000
Re= V . D = 1 V . D = µ
1
X
1,86x10-4m2/seg
µ
0,1121m/seg . Ø Ø2
Re= 602,69 →flujo laminar F = 64 = 64 = 0,1062Ø=F
Ø
Re 602,69 Ø
Como F. L . V 2=Z D
2.g
0,1062 Ø . L . Ø
1
x 0,11212= 0,16
2x9,81
Ø4
√ √ 4
2
=
2x9, 81x 0,16 Ø = 0,598m → Ø= 59,8cm
x300
PARTE II PROBLEMAS DE DISEÑO
3E Diseñe un sistema para bombear agua a 90°F, de un rio a un tanque elevado a 55pies sobre la superficie de la corriente. El flujo volumetrico minimo deseado esde 1500gal/min.el tanque va acolocarse a una distancia de 125pies de la ribera del rio. DATOS: TH2O 90°F
h:55pies 55pie Q:1500gal/min
: INTERPOLACION T°C 30 32 35
µ Pa.s
kg/m3
9,77 9,762 9,758
996 995,2 994
hb=16,76m
10E. Especifique una bomba apropiada para el sistema de la figura 13.52. Es una combinación de sistema en serie y paralelo que opera como sigue. • Se lleva agua a 160 °F a razón de 275 gal/min de un tanque a la línea de succión de la
bomba. La línea de succión tiene una longitud total de 10 pies. • La línea de descarga de 3 pulgadas se eleva 15 pies sobre el agua, hasta el nivel de un
intercambiador de calor grande. La line de descarga tiene una longitud de 40 pies en total. • El flujo se bifurca en dos ramas, la línea principal es de 3 pulgadas y un intercambiador
grande de calor que tiene un factor k de 12, con base en la carga de velocidad en la tubería. La longitud total de la tubería en este ramal es de 8 pies. • La línea de 1 pulgada es una desviación alrededor del intercambiador de calor, con 30 pies
de longitud total. • Las dos líneas se reúnen por la derecha y descargan a la atmosfera a través de una tubería
corta de 3 pulgadas. • Todas las tuberías son de acero cedula 40.
Para este sistema, que trabaja en las condiciones de operación deseadas, determine: (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
La presión en la entrada de la bomba. La NPSH disponible en la entrada de la bomba. La presión en el punto A, antes de las ramas. El flujo volumétrico a través de la línea de intercambiador de calor. El flujo volumétrico a través de la línea de desvío. La carga total sobre la bomba. La potencia trasmitida al agua por la bomba. Des pues, especifique una bomba apropiada para este sistema, la cual entregaría un flujo deseado de 275 gal/min al menos. Para la bomba seleccionada, Determine: (h) El flujo volumétrico real esperado que produce la bomba en el punto de operación. (i) La potencia de entrada a la bomba. (j) La NPSH requerida. (k) La eficiencia en el punto de operación.
FIGURA 13.52
Datos:
T: 160 °F; T (° c)
Q: 275
=
= 0, 0173 m/s
3,048 m
: 10 p
Ɣ: 9, 59 kn/m³ Ρ: 978 kg/ m³ Ѵ: m²/s
3 plg
71, 1 °C
= 0.0762m
Solución:
(a)
Z1 – hf=
P2 ɣ [Z1 – hf -
V2]
;
2 ; 2
V2=
A=
=
=
m²
= 3, 80 m/s
= 1, 37 m
Z1 4, 5
Re=
RL=
; Re=
=
0,015
P2= 9, 59 kn / (b)
=
=
>2000 → ljo rblno.
; según tabla f= 0,015.
[1,37m – 0,44m -
= 0,44 m
(3, 80 m/s) ] = 1,86KPa
NPSH=
=
³
+
= 0,93 m
(c) PA=?
P ɣ [
+ hb – hf - ZA]
P P2 + ɣ [b – hf - ZA]
; 15 0,3048 m 4,57m
0,015
PA= 1, 86 KPa +
= 0,66 m
³ [0,93m – 0,66m – 4,57m] = 39, 38 KPa
(d) Q=? 2 2 3 3
V3=
V3=
A3=
(
V2 =
v2
) 2 9 2 9 3.80 m/ 34, 2 m/ ;
3 1 plg 0, 0254 m 0, 0254 m
=
A3=
m²
m²= 0,017
3 34, 2m Q=
(f)
³
=
+
htb= 0, 66 m +
P= (h)
³
htb= 0, 66 m
(g)
=
³
+
³
+ 12
=
= 30 HP
P= 30HP 40 p 0,3048 m 12,19m Q=
=
(i) P= 32 HP (j) P 4 0, 3048 m 1, 22 m (k)
= 13, 60 m
= 0,018
eM=
PARTE II CASO REAL
LUGAR Y COMPONENTES DEL SISTEMA DE BOMBEO ACTUAL Lugar: 12 de marzo (comando de la guardia), del Municipio Cruz Paredes Parroquia Barracas Estado Barinas. Componentes: VOLUMEN DEL TANQUE = 2000 Lts TUBERÍA PVC T 25°C POTENCIA DE LA BOMBA = 1/2HP ΦTUBERIA= 1in
Fuente: T.S.U Luisa Niño, Carlos López, Néstor Pérez.
LUGAR Y COMPONENTES DEL SISTEMA DE BOMBEO RECALCULADO Lugar: 12 de marzo (comando de la guardia), del Municipio Cruz Paredes Parroquia Barracas Estado Barinas. Componentes: TUBER A HIERRO GALVANIZADO T 25°C ΦTUBERIA= ½ in VOLUMEN DEL TANQUE = 2000 Lts Fuente: T.S.U Luisa Niño, Carlos López, Néstor Pérez.
PROPIEDADES DEL FLUIDO AGUA T°C 25
9,78
þ
997
µ 8,91x
σ
8,94x
SISTEMA DE BOMBEO A ESTUDIAR
CALCULO DEL TANQUE ELEVADO
TUBERÍA PVC AGUA A 25°C POTENCIA = 1/2HP ΦTUBERIA= 1in
VOLUMEN DEL TANQUE = 2000 Lts TIEMPO DE LLENADO =1.23 Hrs Q=L/MIN
VOLUMEN TANQUE
TIEMPO DE LLENADO ΦTUBERIA= 1in
V=Q/A
CONSUMO DE AGUA POR PERSONA
125L/D * 10 PERSONAS = 1250L/D
Qd=
PRINCIPIO DE BERNULLI
P= *g*h
FLUJO LAMINAR =3X €
€/D=
COSTO DE ENERGIA DE LA BOMBA ACTUAL
RECALCULO DEL TANQUE ELEVADO
TUBERÍA HIERRO GALVANIZADO AGUA A 25°C ΦTUBERIA= ½ in
VOLUMEN DEL TANQUE = 2000 Lts TIEMPO DE LLENADO =1.23 Hrs
V
A
0.5 IN
0.0127 m
A A
1250
1.45
V
1.15
m/s
F
(Zo +
P atm
hB( ) + ( ) +(Z2 Z1)+hf hB= ( ) + (5.57) + 0.0023
–
hB= 5.6 m P=
P= 9.81
P=1.26*
* 2.31 *
m/s * 5.6 m
Kw * 0.746 hp = 9.39x =
= 0.000939
COSTO DE ENERGIA DE LA BOMBA PROPUESTA
COMPARACION DEL SISTEMA ACTUAL Y EL RECALCULADO EN COSTO DE ENERGIA
El sistema actual sobrepasa las necesidades de llenado del tanque lo que supone mayor gasto de energía.
DISEÑO Y CALCULO DE UN CANAL
120m DE LONGITUD
120m 5°
Radio Hidráulico
