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A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía debido a la fricción; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo.
Hay tipos de pérdidas que son muy pequeñas en comparación, y por consiguiente se hace referencia de ellas como pérdidas menores, las cuales ocurren cuando hay un cambio en la sección cruzada de la trayectoria de flujo o en la dirección de flujo, o cuando la trayectoria del flujo se encuentra obstruida como sucede en una válvula.
En este laboratorio se calcularán las magnitudes de dichas pérdidas ocurridas por estas fuentes mediante datos experimentales.
Determinar el factor de fricción para un flujo turbulento utilizando el diagrama de Moody.
Calcular la magnitud de la pérdida de energía para un flujo laminar o para uno turbulento en conductos y tubos redondos.
Reconocer las fuentes de pérdidas menores.
La ecuación de Darcy se puede utilizar para calcular la pérdida de energía en secciones largas y rectas de conductos redondos, tanto flujo laminar como turbulento. La diferencia entre los dos está en la evaluación del factor f, que carece de dimensiones.
Cuando se tiene un flujo laminar, el flujo parece desplazarse en forma de varias capas, una sobre la otra. Debido a la viscosidad del fluido, se crea una tensión de corte entre las capas del fluido.
La pérdida de energía debido a la fricción en un flujo laminar en conductos circulares se puede calcular a partir de la ecuación:
en la que,
Para un flujo turbulento de fluidos en conductos circulares resulta más conveniente utilizar la ley de Darcy para calcular la pérdida de energía debido a la fricción. No podemos calcular f mediante un simple cálculo, como se puede hacer con el flujo laminar, pues el flujo turbulento no se conforma de movimientos regulares y predecibles. Está cambiando constantemente. Por eso se debe confiar en los datos experimentales para determinar los valores de f.
Las pruebas han mostrado que el número adimensional f depende de otros dos números, también adimensionales, el número de Reynolds y la rugosidad relativa del conducto. La rugosidad puede variar debido a la formación de depósitos sobre la pared, o debido a la corrosión de los tubos después de que este ha estado en servicio durante algún tiempo.
Uno de los métodos más extensamente empleados para evaluar el factor de fricción hace uso del diagrama de Moody.
También se habla de la pérdida de energía cuando hay codos, dilatación o contracción o a través de una válvula.
Los valores experimentales de pérdidas de energía generalmente se reportan en términos de un coeficiente de resistencia, K, de la siguiente forma:
hL = K (v2/2g)
Las pruebas han mostrado que el valor del coeficiente de pérdida K depende tanto de la porción de los tamaños de los dos conductos como de la magnitud de la velocidad del fluido, ya sea para una dilatación súbita o una contracción súbita.
Para calcular el valor del coeficiente de fricción en válvulas o junturas se obtiene con la fórmula:
K = (Le/d)ft
BANCO DE PRUEBA
Este es el aparato empleado para evaluar las pérdidas de energía que se originan en las tuberías y accesorios. Está conformado por diferentes tipos de accesorios y tuberías interconectados entre sí, y a su vez a una bomba.
El material de estos elementos es de cobre, pvc y acero galvanizado.
CRONOMETRO
Es un dispositivo para medir el tiempo. En el ensayo se utiliza para registrar el tiempo en el cual se obtiene un volumen de agua.
PROBETA
Tubo de vidrio transparente, graduado con una escala de volumen (ml).
- Reconocimiento del equipo.
- Poner en funcionamiento la motobomba, con las válvulas de paso totalmente abiertas, se van cerrando lentamente y se toman los respectivos volúmenes en un tiempo determinado, para el cálculo del caudal (Q) (Tomar tres tiempos y tres volúmenes y sacar promedios).
- Se leen los delta de presión en los manómetros diferenciales de mercurio para cada tramo de tubería y para cada accesorio.
- Se deben tomar seis caudales diferentes.
PERDIDAS EN TUBERÍAS Y ACCESORIOS
Area de tuberías:
PVC: d= 1.8 cm A= p d2/4 = 2.545 cm2
cobre: d= 1.1 cm A= p d2/4 = 0.9503 cm2
galvanizado: d= 1.27 cm A= p d2/4 = 1.267 cm2
Velocidades de flujo:
Primer caudal
Vpvc = Q/A = 130/2.545 = 51.08 cm/s
Vcobre = 130/0.9503 = 136.8 cm/s
Vgalv = 130/1.267 = 102.6 cm/s
Segundo caudal
Vpvc = 149/2.545 = 58.55 cm/s
Vcobre = 149/0.9503 = 156.79 cm/s
Vgalv = 149/1.267 = 117.6 cm/s
Caudal 3
Vpvc = 217/2.545 = 85.27 cm/s
Vcobre = 217/0.9503 = 228.35 cm/s
Vgalv = 217/1.267 = 171.27 cm/s
Caudal 4
Vpvc = 233/2.545 = 91.55 cm/s
Vcobre = 233/0.9503 = 245.19 cm/s
Vgalv = 233/1.267 = 183.9 cm/s
Caudal 5
Vpvc = 283/2.545 = 111.20 cm/s
Vcobre = 283/0.9503 = 297.80 cm/s
Vgalv = 283/1.267 = 223.36 cm/s
Caudal 6
Vpvc = 290/2.545 = 113.95 cm/s
Vcobre = 290/0.9503 = 305.17 cm/s
Vgalv = 290/1.267 = 228.89 cm/s
CALCULO DEL NUMERO DE REYNOLDS
Re = 4Q/p Dg
g = 1.007 X 10-6 m2/s = 1.007 X 10-2 cm2/s
D Cu = 1.1 cm
D PVC = 1.8 cm
D galvan = 1.27 cm
Para el cálculo del coeficiente de rozamiento consideramos que el tubo PVC es un conducto liso, luego f lo hallamos utilizando el diagrama de Moody.
F = 0.03
Coeficiente de fricción
C = f/D C = 0.03/1.8 = 0.0166
Perdidas por accesorios
h = CV2/2g
Analizando los resultados de las pérdidas de carga generadas por los accesorios se concluye que al aumentar el caudal, lás pérdidas se hacen mayores, estableciéndose una relación directamente proporcional. De igual manera es el comportamiento de las pérdidas por unidad de longitud, respecto a la variación del caudal.
Observando las gráficas de h vs Re y h vs V2/hg (cabeza de velocidad), se puede notar que las curvas obtenidas son líneas rectas ascendentes desde el origen.
Del ensayo realizado se pudo conocer cuales son los accesorios para tuberías que ocasionan mayores y menores diferencias piezométricas. También se pudo establecer cuales son los materiales que generan mayores pérdidas por unidad
