Mecanica De Fluidos

PERDIDA DE CARGA EN TUBERIAS

INTRODUCCION:

En este ensayo de laboratorio el problema a resolver específicamente es evaluar la perdida de energía que ocasiona un fluido ya sea laminar o turbulento (por la viscosidad) al pasar atreves de un tubo que sufre una disminución del área transversal en todo su recorrido.

El análisis del comportamiento que presentara el fluido puede ser calculado con errores muy insignificantes.

La pérdidas de carga a lo largo de un conducto de cualquier sección pueden ser locales o de fricción, su evaluación es importante para el manejo de la línea de energía cuya gradiente permite reconocer el flujo en sus regímenes: laminar, transicional o turbulento, dependiendo de su viscosidad.

Cuando el fluido es más viscoso habrá mayor resistencia al desplazamiento y por ende mayor fricción con las paredes del conducto, originándose mayores perdidas de carga; mientras que, si la rugosidad de las paredes es mayor o menor habrá mayores o menores perdidas de carga.

Esta correspondencia de rugosidad-viscosidad ha sido observada por muchos investigadores, dando a la correspondencia entre los números de Reynolds (Re), los parámetros de los valores de rugosidad “k” y los coeficientes de fricción “f” que determinan la calidad de la tubería.

El grafico de Moody sintetiza las diversas investigaciones realizadas acerca de la evaluación de los valores “f” en los distintos regímenes de flujo.

El flujo de un fluido real es más complejo que el de un fluido ideal. Debido a la viscosidad de los fluidos reales, en su movimiento aparecen fuerzas cortantes entre las partículas fluidas y las paredes del contorno y entre las diferentes capas de fluidos.

Por ello que el análisis y problemas de flujos reales se resuelven aprovechando datos experimentales y utilizando métodos semiempiricos.

OBJETIVOS:

Estudiar las perdidas de cargas debido a los accesorios que se instalan en un tramo de la tubería, como codos, ensanchamiento, contracción venturimetro, válvula, etc.

Poder observar algunos efectos ya conocidos que producen las perdidas 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 coeficientes de perdidas “f” en función del número de Reynolds.

Estudiar y analizar los datos obtenidos en el ensayo de laboratorio con los datos que obtenemos apoyándonos en libros.

FUNDAMENTO TEORICO:

PERDIDAS DE CARGAS:

La pérdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las contiene. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc.

Las pérdidas de carga en las tuberías son de dos clases: perdidas de carga por fricción y perdida de carga locales.

Perdida de carga por fricción: son las perdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubería (Capa Limite), rozamiento de unas capas de fluidos con otras (Régimen Laminar) o de las partículas de fluidos entre si (Régimen Turbulento). Tienen lugar en flujo uniforme, por tanto principalmente en tramos de tuberías de sección constante.

Perdida de Carga Locales: son las perdidas de forma, que tienen lugar en las transiciones (estrechamiento o expansiones de las corrientes), codos, válvulas, e en toda clase de accesorios de tuberías. Si la conducción es larga como en oleoductos y gaseoductos, las perdidas locales tienen poca importancia, pudiendo a veces despreciarse, o bien se tienen en cuenta al final, sumando del 5 al 10 % de las perdidas por fricción halladas.

Figura Nº1

Perdida de carga por fricción:

Consideramos el esquema de conducción representado en la figura Nº1, Los tramos1-2, 2-3,3-4,4-5,4-5,5-6, en algunos de ellos se originan perdidas de cargas por fricción y perdidas locales.

En la Figura, aplicando la ecuación de Bernoulli entre las secciones 1 y 2 a nivel del eje:

P_1/γ+(V_1^2)/2g+Z_1=P_2/γ+(V_2^2)/2g+Z_2+h_f…Ecuacion 1

Donde:

h_(f )=Perdida de carga por fricion entre 1 y 2

P_1/γ=Carga debido al trabajo de presion en 1.

Z_1=Carga de posicion en 1.

(V_1^2)/2g=carga de velocidad en 1.

P_2/γ= Carga debido al trabajo de presion en 2.

(V_2^2)/2g= Carga de velocidad en 2.

Z_2=Carga de posicion en 2.

Empleando la ecuación 1:

P_1/γ+(V_1^2)/2g+Z_1=P_2/γ+(V_2^2)/2g+Z_2+h_f

Las velocidades se asumen que son iguales porque el diámetro de la tubería es constante y por lo tanto el caudal también. Z1 y Z2 se eliminan porque se encuentran en el mismo nivel de referencia.

Entonces:

P_1/γ=P_2/γ+h_f

(P_1-P_2)/γ=h_f (Diferencia de niveles en los piezometros 1 y 2)…Ecuacion 2

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

h_(f )=f L/D* V^2/2g…Ecuacion 3

Donde:

f=Coeficiente de friccion

L=Longitud del tramo considerado

D=Diametro de la tuberia

V=Velocidad media(v=Q/A)

g=Aceleracion de la gravedad

El valor del coeficiente f esta definido en función del tipo de flujo y del comportamiento hidráulico de la tubería.

Es importante observar que la perdida de carga depende de la distribución de velocidades, del tipo

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