TRABAJO DE PRACTICA DE LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOSDescripción completa
perdida de carga en tuberia laboratorio de hidraulicaDescripción completa
Descripción: Perdidas de cargas en tuberias .. ingenieria mecanica
mecanica de fluidos
mecanica de fluidosFull description
Descripción completa
UNIVERSIDAD “NESTOR CACERES VELASQUEZ”
PORTADA
HIDRÁULICA DE CANALES Y
INFORME N⁰ 07: PERDIDA DE CARGA EN
U A N C V
TUBERIAS CON ACCESORIOS ACCESORIOS
DOCENTE : ALUM ALUMNO NOS S:
INGENIERIA INTRODUCCIÓN CIVIL
2016
UNIVERSIDAD ANDINA “NESTOR CACERES VELASQUEZ” INGENIERIA CIVIL En este este ensayo ensayo de labora laborator torio io el proble problema ma a resolv resolver er espec específic íficame amente nte es eval evalua uarr la perd perdid ida a de ener energí gía a que que ocas ocasio iona na un flui fluido do ya sea sea lamin laminar ar o turbulento (por la viscosidad) al pasar a través de un tubo que sufre una disminución del área transversal en todo su recorrido. El análisis del comportamiento que presentará el fluido puede ser calculado; con errores muy insignificantes. i nsignificantes. Las pérdidas de carga a lo largo de un conducto de cualquier sección pueden ser locales o de fricción su evaluación es importante para el mane!o de la línea de energía cuya gradiente permite reconocer el flu!o en sus regímenes" laminar transicional o turbulento dependiendo de su viscosidad. #uando el fluido es más viscoso $abrá mayor resistencia al despla%amiento y por ende mayor fricción con las paredes del conducto originándose mayores pérdidas de carga; mientras que si la rugosidad de las paredes es mayor o menor $abrá mayores o menores pérdidas de carga. Esta correspondencia de rugosidad&viscosidad $a sido observada por muc$os investigadores dando a la correspondencia entre los n'meros de eynolds (e) los parámetros de los valores de altura de rugosidad *+ y los coeficientes de fricción f+ que determinan la calidad de la tubería. El gráfico de ,oody sinteti%a las diversas investigaciones reali%adas acerca de la evaluación de los valores f+ en los distintos regímenes de flu!o. El flu!o de un fluido real es más comple!o que el de un fluido ideal. -ebido a la viscosidad de los fluidos reales en su movimiento aparecen fuer%as cortantes entre las partículas fluidas y las paredes del contorno y entre las diferentes capas de fluido. or ello que el análisis y problemas de flu!os reales se resuelven aprovec$ando datos e/perimentales y utili%ando métodos semiempíricos.
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I.
OBJETIVOS: Estudiar las pérdidas de cargas debido a los accesorios que se instalan en un tramo de
la tubería como codos ensanc$amiento ensanc$amiento contracción contracción
venturímetro válvula etc. oder observar algunos efectos ya conocidos que producen las pérdidas de cargas como las singularidades y los efectos de la rugosidad que se encuentran en el tramo de la tubería. Estudiar en forma detallada las pérdidas de carga lineal en conductos circulares obteniendo una gran variedad de curvas que relacionan los coef coefic icie ient ntes es de pérd pérdid idas as f+ f+ en func función ión del del n'me n'mero ro de ey eynolds nolds apoyándonos en el gráfico de ,oody. ,oody. Estudiar y anali%ar los datos obtenidos en el ensayo de laboratorio con los los dato datos s que que obte obtene nemo mos s apoy apoyán ándo dono nos s en libr libros os que que usua usualm lmen ente te utili%amos para estos ensayos. 0prender a utili%ar el diagrama de ,oody ,oody para calcular la rugosidad relativa de la tubería y saber si el flu!o es turbulento o laminar. #onocer métodos prácticos para determinar las perdidas locali%adas. -eterminar la variación de la perdida de carga con el caudal.
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III.
FUNDAMENTO TEORICO: a)
DEFINICIÓN: Las pérdidas de carga en las tuberías son de dos clases" primarias y secundarias. Las perdidas primarias son las pérdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubería (#apa Limite) ro%amiento de unas capas de fluidos con con otra otras s (ég (égim imen en Lami Lamina nar) r) o de las las partí partícu cula las s de fluid fluido o entr entre e sí (ég (égim imen en 7urbu urbule lent nto) o).. 7iene ienen n luga lugarr en flu! flu!o o unifo uniform rme e por por tant tanto o principalmente en los tramos de tubería de sección constante. Las perdidas secundarias son las pérdidas de forma que tienen lugar en las transiciones (estrec$amiento o e/pansiones de la corriente) codos válvulas y en toda clase de accesorios de tubería. 8i la conducción es larga larga como como en oleod oleoduct uctos os o gaseod gaseoduct uctos os las perdi perdidas das secund secundari arias as tiene tienen n poca poca import importanc ancia ia pudien pudiendo do a veces veces despre desprecia ciarse rse;; o bien bien se tienen en cuenta al final sumando un 5 al 9: por ciento de las perdidas principales $alladas. La ecuación de 1ernoulli escrita entre el punto 9 y es la misma pero el termino 2f 9& engloba a$ora las perdidas primarias y secundarias.
2
2
P1 V P V + Z 1 + 1 = 2 + Z 2+ 2 + Hf ( ( 1−2 ) 2g 2g γ γ
En el #aso particular del e!emplo"
p9 < p < : (presión atmosférica). v9 < v < : (depósitos grandes velocidad de descenso del agua
en 9 y de ascenso en despreciables).
Luego"
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UNIVERSIDAD ANDINA “NESTOR CACERES VELASQUEZ” INGENIERIA CIVIL %9 = % < 2f(9&) El término 2r9& se puede descomponer descomponer así" 2f(9&) < 2fp(9&) > 2fs(9&) -ónde" 2fp(9&)" 8uma de pérdidas primarias entre 9 y . 2fs(9&)" 8uma de pérdidas secundarias entre 9 y . El término 2f(9&) se conoce con el nombre de perdida de carga y es precisamente el ob!eto de nuestro estudio en este caso. Es impo import rtan ante te obse observ rvar ar que que la perd perdid ida a de carg carga a depe depend nde e de la distribución de velocidades del tipo de fluido y algunas veces de la rugosidad de la superficie de la tubería .-e este modo si se conocen estas condiciones la inclinación de la tubería no produce alteración. 8upó 8upóng ngas ase e a$or a$ora a que que la tube tuberí ría a sufr sufre e un camb cambio io de secc secció ión n transversa transversal. l. La caída caída de presión presión real a lo largo de un tubo de corriente corriente incluye a$ora el efecto de un cambio de velocidad además del cambio de altura y de la perdida de carga. El flu!o puede considerarse como formado por flu!os paralelos distintos en las dos secciones de la tubería con una región muy peque?a en el codo de reducción. En el cálculo de las pérdidas de carga en tuberías !uegan un papel discriminante dos factores" el que la tubería sea lisa o rugosa y el que el régimen de corriente sea laminar o turbulento; pero consideraremos con más detención el influ!o de una corriente turbulenta.
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b)
ECUA ECUACI CIÓN ÓN GEN GENER ERA AL DE DE LAS LAS PÉRD PÉRDID IDA AS PRIM PRIMA ARIAS: RIAS: ECU ECUA ACIÓN CIÓN DE DARCY WEISBAC Los manuales de 2idráulica están llenos de tablas curvas ábacos y nomogramas para el cálculo del término 2f(9&) que es preciso utili%ar con con prec precau auci ción ón.. 2ay tabl tablas as por por e!em e!empl plo o que que solo solo sirv sirven en para para las las tuberías de fundición. En estas tablas no se menciona para nada la rugosidad porque es un factor de constante en las tuberías de fundición; pero sería erróneo utili%ar estas tablas por e!emplo para perdida de carga en tuberías de uralita. @a a fines del siglo pasado e/perimentos reali%ados con tuberías de agua de diámetro constante demostraron que la perdida de carga era direct directame amente nte propor proporcio cional nal al cuadra cuadrado do de la veloc velocida idad d media media en la tuberí tubería a y a la longitu longitud d de la tuberí tubería a e invers inversame amente nte propor proporcio ciona nall al diámetro de la misma. La fórmula fundamental que e/presa lo anterior es la siguiente"
2
f ×L×V H fp = D × 2 g
-onde" f < #oeficiente de fricción. L < Longitud del tramo considerando. - < ,agnitud característica diámetro de la tubería de sección circular. 3 < 3elocidad 3elocidad media (3 < AB0). C < 0celeración 0celeración de la gravedad.
E! "a#$%& ".' Es obviamente adimensional; depende de la rugosidad * la cual como se e/plica puede e/presarse en unidades de longitud (m). -ic$a figura representa microscópicamente la rugosidad de la tubería y con ello se e/plica el significado del parámetro *.
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-e lo dic$o se deduce" f < f (v -ρ n *)
8iendo f adimensional la función deberá ser una función de variables adimensionales. En efecto el análisis dimensional demuestra que" f <
f (vD-DρBµ *B-)
-onde" e < ρD3D-B µ
#)
o
3D-B ν
ECUA ECUACI CIÓN ÓN GENE GENERA RAL L DE LAS LAS PÉRD PÉRDID IDA AS SECU SECUND NDA ARIAS RIAS 7ambién conocidas como perdidas locales o puntuales las cuales son originadas por una infinidad de accesorios que se ubican dentro de un sistema de tuberías como por e!emplo" 3álv 3álvul ulas as codo codos s nipl niples es redu reducc ccio ione nes s ensa ensanc nc$a $amie mient ntos os unio unione nes s universales etc. La e/presión para evaluar las perdidas secundarias (en metros de columna del fluido es la siguiente" 2
K ∗V H fs= 2g
-ond -onde e es la cons consta tant nte e pérd pérdid ida a de carg carga a para para cada cada acce acceso sori rio o y depende del tipo de accesorio material y diámetro. Las Las pérd pérdid idas as de carg carga a que que sufr sufre e un flui fluido do al atrav atraves esar ar todo todos s los los elemen elementos tos e/pres e/presada ada en metros metros del fluido fluido puede puede calcul calculars arse e con la siguiente e/presión" '
K ∗Q ∆ H fs = 4 D
2
-onde" F < constante 3 < velocidad media del fluido A < caudal G2 < perdida pie%ométrica - < diámetro del conducto
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()
DIAGRAMA DE MOODY: La ecuación de oiseuille !unto con la ecuación de #olebroo* = H$ite permite el cálculo del coeficiente f en todos los casos que pueden presentarse en la práctica. -ic$as ecuaciones pueden programarse para la resolución de los problemas pertinentes con ordenador. Las mismas ecuaciones se representan gráficamente en el ábaco conocido con el Iombre de diagrama de ,oody que se representa en el ane/o en la parte posterior. #aracterísticas del diagrama de ,oody"
Esta construido en papel doblemente logarítmico. Es la representación gráfica de dos ecuaciones. La ecuación de oiseuille esta ecuación en papel logarítmico es una recta. La prolongación dibu!ada a tra%os es la %ona crítica; en esa %ona solo se utili%ara la recta de oiseuille si consta que la corriente sigue siendo puramente laminar. -e lo contrario f puede caer en cualquier punto (seg'n el valor de e) de la %ona sombreada (la %ona critica es una %ona de incertidumbre). La ecuación de #olebroo* = H$ite. En esta ecuación f < f (e *B-) o sea f es función de dos variables. -ic$a función se representa en el diagrama de ,oody por una familia de curvas una para cada valo valorr del del pará paráme metro tro *B-. *B-. Esta Estas s curv curvas as para para n'me n'mero ros s ba!o ba!os s de eynolds coinciden con la ecuación de 1lasius y la primera ecuación de arman& arman& randtl randtl es decir decir son" asintóticas a una u otra ecuación y se van separando de ellas para n'meros crecientes de eynolds. Esto Esto se repres represent enta a en el esque esquema ma simpli simplific ficado ado del diagra diagrama ma de ,oody. Es un diagra diagrama ma adimen adimensio sional nal utili%a utili%able ble con cualqu cualquier ier sistem sistema a co$erente de unidades. Jncorpora una curva de tra%os que separa la %ona de transición de la %ona ona de comp complleta eta turb turbul ulen enc cia. ia. Esta Esta curv urva de tra% tra%os os es convencional (en realidad las curvas son como ya se $an dic$o asintóticas).
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)
7UBO DE VENTURI:
El 7ubo de 3enturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia éste es una tubería corta recta o garganta entr entre e dos dos tram tramos os cóni cónico cos. s. La pres presió ión n varía varía en la pro/ pro/im imid idad ad de la sección estrec$a; así al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instan instantán táneo eo o bien bien unién uniéndol dola a a un depós depósito ito carbu carburan rante te se puede puede introducir este combustible en la corriente principal.
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T*+%
R,%/*(a
T*+%
( ab/%!,$a (
0122)
T,b&-a 3idrio cobre o latón
R,%/*(a( ab/%!,$a
(
0122)
T,b&-a :.::9
2ierr ierro o galva lvani%ado
:.95 a :.:
Mundición corriente
:.5
estirado (o lisa)
Latón industrial
:.:5
nueva
0cero laminado nuevo nuevo
:.:5
Mundición corriente
9 a 9.5
o/idada
0cero laminado o/idado o/idado
:.95 a :.5
Mundición asfaltada
:.9
0cero laminado con
9.5 a N
#emento alisado
:.N a :.O
0cero asfaltado
:.:95
#emento bruto
2asta N
0cero roblonado
:.:N a :.9
0cero roblonado
:.P a P
-uelas de madera
:.9ON a :.P9
incrustaciones
0cero soldado o/idado o/idado
:.4
La entrada es una tubería corta recta del mismo diámetro que la tubería a la cual va unida. El cono de entrada que forma el ángulo a9 conduce por una curva suave a la garganta de diámetro d9. Kn largo cono divergente que tiene un ángulo a restaura la presión y $ace e/pansionar el fluido al pleno diámetro de la tubería. El diámetro de la garganta varía desde un tercio a tres cuartos del diámetro de la tubería. La presión que precede al cono de entrada se transmite a través de m'ltiples aberturas a una abertura anular llamada anillo pie%ométrico.
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UNIVERSIDAD ANDINA “NESTOR CACERES VELASQUEZ” INGENIERIA CIVIL En algunos dise?os los anillos pie%ométricos se sustituyen por sencillas unio unione nes s de pres presió ión n que que cond conduc ucen en a la tube tuberí ría a de entr entrad ada a y a la garganta. La principal venta!a del 3enturi estriba en que sólo pierde un 9: & :Q de la diferencia de presión entre la entrada y la garganta. Esto se consi consigue gue por el cono cono diverg divergent ente e que desace desaceler lera a la corrie corriente nte.. Es importante conocer la relación que e/iste entre los distintos diámetros que tiene el tubo ya que dependiendo de los mismos es que se va a obtener la presión deseada a la entrada y a la salida del mismo para que pueda cumplir la función para la cual está construido. Esta relación de diámet diámetros ros y distan distancia cias s es la base base para para reali% reali%ar ar los cálculos cálculos para la construcción de un 7ubo de 3enturi y con los conocimientos del caudal que se desee pasar por él. La presión se detecta a través de una serie de agu!eros en la admisión y la garganta; estos agu!eros conducen a una cámara angular y las dos cámaras están conectadas a un sensor de diferencial de presión. 8e pueden llevar a cabo dos simplificaciones en este momento. rimero la diferencia de elevación (%9&%) es muy peque?a aun cuando el medidor se encuentre instalado en forma vertical. or lo tanto se desprecia este término. 8egundo el termino $l es la perdida de la energía del fluido conforme este corre de la sección 9 a la sección . El valor $l debe determinarse en forma e/perimental.
Diagrama de un tubo de Venturi Venturi
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Líneas de corriente
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")
REG REG3M 3ME ENES DE FLUJ UJO O DE FLUIDO UIDOS S EN TUBE TUBER3 R3A AS: La2*4a& 5 $,&b,!4$%:
En los fluidos reales la e/istencia de la viscosidad $ace que apare%ca una resistencia al movimiento entre dos capas contiguas de fluido esta influencia dinámica de la viscosidad en el movimiento viene definida por el n'mero de eynolds"
#omprobó que a velocidades ba!as (inferiores a la crítica) el flu!o era lamina laminar. r. Este Este régime régimen n se carac caracter teri%a i%a por el desli% desli%ami amien ento to de capas capas cilíndricas concéntricas una sobre otra de manera ordenada siendo la velo veloci cida dad d del del flui fluido do má/i má/ima ma en el e!e e!e de la tube tubería ría dism dismin inuy uyen endo do rápidamente $asta anularse en la pared de la tubería. 0 velocidades mayores que la crítica el régimen es turbulento y la distribución de velo veloci cida dade des s es más más unif unifor orme me a pesa pesarr de ello ello siem siempr pre e e/is e/iste te una una peque?a capa periférica o subcapa laminar. ara estudios técnicos"
8i ::: el flu!o se considera laminar.
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8i R ::: el flu!o se considera turbulento.
IV. IV.
CALCULO TEORICO REALIZADO EN CLASE: -07S8" &
7uber ubería ía 3# 3# con con válv válvul ulas as comp compue uerta rta
&
-iámetro ((-) < 4+
&
#onstante () () < :.9P
&
3eloc locida idad (3 (3) < .5 .5mB mBs seg
&
Longitud (L) < TO:m
ℜ=
VxD v
ℜ=
∗4 (2.54 ) − 1.30 ∗10 ∗100 2.5
6
5
ℜ= 1.954 ∗10
Entonces el factor f <:.:95P
#alculando la pérdida de carga principal" 2
f ×L×V H fp = D × 2 g
( 0.0102 )∗( 780 m )∗(2.5 m / s ) H fp = ( 4∗2.54 / 100 ) m∗( 2∗9.81 m / s ) 2
2
H fp =15.55 m
#alculando la pérdida de carga secundaria" 2
K ∗V H fs= 2g
2
( 0.19∗2 )∗( 2.5 m/ s ) H fs= ( 2∗9.81 m / s ) 2
H fs =0.1210 m
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2allando la pérdida de carga total H fp − H fs=15.55 m + 0.1210 m H fp − H fs=15.671
V.
RESULTADOS:
Q &'()*+ ,-
Q2
$ 10 6 10.#
6" 100 !6 110.2#
VI.
H &**H2 H)Q2 O-
'/(3 4+/5*/(+3 ** H2O 1 1%0 !60 !!# 8
2 12 120 2!0 2%0 8
! 11 110 220 2$# 8
" 8 8 20# !0#
# 8 8 1%0 !00
6 8 8 1$0 2!#
7 8 8 17# 20#
$0 1"0 160 100
1.2# 1."0 "."" 0.%1
GRAFICOS:
GRAFICO # ".# " !.# ! 2.# 2 1.# 1 0.# 0
0
#0
100
1#0 1
200 2
2#0 !
LAB. HIDRAULICA DE CANALES TUBERIAS1" .
! 00
!#0
"00
"
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VII.
OBSERVACIONES:
ara el desarrollo del cuestionario nos debieron dar datos que $ayan sido obtenidos correctamente o sea personas que saben el mane!o del equipo para que nuestros resultados sean co$erentes con la realidad. 0l momento de tomar los datos del pie%ómetro se observó que estos vibraban esto se debe a que a la salida $ay una válvula que controla la salida del caudal y acá se está produciendo el golpe de ariete la cual genera una velocidad de onda que $ace oscilar el pie%ómetro. 3emos que el equipo está mal dise?ado debido a que los diámetros de la tubería de succión y de impulsión son iguales y como sabemos nosotros esto está generando presiones negativas que está malogrando la bomba. or eso el diámetro de la tubería de impulsión debe ser menor que la de succión.
VIII.
RECOMENDACIONES:
8e recomi recomiend enda a anular anular los datos que suele suelen n ser muy distanci distanciado ados s o muy diferente de los demás; ya que puede ser un dato mal tomado y no debe influir en los resultados del e/perimento. 8e pued puede e conc conclu luir ir que que debi debido do a fact factor ores es que que se $an $an visto visto (rug (rugos osid idad ad deterioro etc.) siempre presentan perdidas de energía por lo que nunca se podrá asumir la ecuación de 1ernoulli de frente fr ente en las tuberías.
I6.
CONCLUSIONES:
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En el laboratorio de 2idráulica se estudió la perdida de carga en tuberías. Sbteniéndose así los resultados en los cuadros anteriores. La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción representa La pérdida de ener energí gía a de un flu! flu!o o $idr $idráu áuli lico co a lo larg largo o de la mism misma a por por efec efecto to del del ra%onamiento.
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SE OBSERVA EN EST ES TA IMAGEN EL BANCO HIDRA9LICO HIDRA9LICO CON UN CIRCUITO CIRCUITO DE TUBERIAS ACOMA;ADO DE DIFERERNTES ACCESORIOS
SE UEDE OBSERVAR LAS ALTURAS RIEZOMETRICAS ADQUIRIDAS EN CADA TRAMO DE DICHOS DICHOS ACCESORIOS
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UNIVERSIDAD ANDINA “NESTOR CACERES VELASQUEZ” INGENIERIA CIVIL FINALIZANDO CON LAS MEDICIONES COMO CAUDAL O ALTURAS< ALTURAS< ETC. SE UDO OBSERVAR LAS DIFERENCIAS O ERDIDAS Q SE DAN EN DICHO CIRCUITO
