Lab 4 Fluidos

Introducción

En el siguiente informe estudiaremos y mediremos las perdidas de carga en distintos tipos de tuberías como por ejemplo galvanizadas, cobre y PVC.

En una tubería tenemos perdidas primarias, las cuales tienen relación con la rugosidad, largo, tipo de fluido y velocidad. Las perdidas secundarias las cuales tiene relación con la forma geométrica de la tubería, codos, T, expansión o contracción en un tubo.

Se calcularan los coeficientes de rugosidad a través de tres métodos distintos el primero tiene relación con el numero de Reynolds, el segundo con el método del diagrama de moody y el tercero a través de la ecuación de Bernoulli encontrando un delta h en metros de columna de agua. Por último se compararan los resultados obtenidos en laboratorio con los establecidos teóricamente en tablas.

Objetivos

Objetivo Generales:

Realizar un estudio experimental completo de pérdidas de carga de tal forma de

obtener las relaciones entre variables presentes en el flujo en tuberías y compararlas

con las obtenidas en forma analíticas por medio de relaciones empíricas de literatura.

Objetivos Específicos

Para flujo laminar, transición y turbulento evaluar las pérdidas por efectos

fricciónales producidas en el set de tuberías.

investigar la influencia del material, el diámetro y la posición en la pérdida de

carga.

Determinar los coeficientes de pérdidas K para accesorios como: codos,

expansión y contracción brusca y realizar una comparación con los valores

obtenidos por medio de literatura.

Marco Teórico

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, etc.

Pérdidas lineales.

Las pérdidas lineales son debidas a las tensiones cortantes de origen viscoso que aparecen entre el fluido y las paredes de la tubería. Considerando flujo estacionario en un tramo de tubería de sección constante, las pérdidas de carga se pueden obtener por un balance de fuerzas en la dirección del flujo:

Fuerza de Presión+ Fuerza de Gravedad+ Fuerzas Viscosas = 0

Balance de fuerza en un tramo de tubería.

Las características de los esfuerzos cortantes son muy distintas en función de que el flujo sea laminar o turbulento. En el caso de flujo laminar las diferentes capas del fluido discurren ordenadamente, siempre en dirección paralela al eje de la tubería y sin mezclarse, siendo el factor dominante en el intercambio de cantidad de movimiento (esfuerzos cortantes) la viscosidad. En flujo turbulento, en cambio, existe una continua fluctuación tridimensional en la velocidad de las partículas (también en otras magnitudes intensivas, como la presión o la temperatura), que se superpone a las componentes de la velocidad. Este es el fenómeno de la turbulencia, que origina un fuerte intercambio de cantidad de movimiento entre las distintas capas del fluido, lo que da unas características especiales a este tipo de flujo.

El tipo de flujo, laminar o turbulento, depende del valor de la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, es decir del número de Reynolds (Re)

, cuya expresión se muestra a continuación de forma general y particularizada para tuberías de sección transversal circular:

Cuando Re<2000 el flujo es laminar. Si Re>4000 el flujo se considera turbulento. Entre 2000 < Re < 4000 existe una zona de transición

En régimen laminar, los esfuerzos cortantes se pueden calcular de

forma analítica en función de la distribución de velocidad en cada sección (que se puede obtener a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes), y las

pérdidas de carga lineales hpl se pueden obtener con la llamada ecuación de Hagen-Poiseuille, en donde se tiene una dependencia lineal entre la pérdida de carga y el caudal:

En régimen turbulento, no es posible resolver analíticamente las ecuaciones de Navier-Stokes. No obstante, experimentalmente se puede comprobar que la dependencia entre los esfuerzos cortantes y la velocidad es aproximadamente cuadrática, lo que lleva a la ecuación de Darcy-Weisbach.

Siendo f un parámetro a dimensional, denominado coeficiente de fricción o coeficiente de Darcy, que en general es función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la tubería: f = f(Re, r).

En régimen laminar también es válida la ecuación de Darcy-Weisbach, en donde el coeficiente de fricción depende exclusivamente del número de Reynolds, y se puede obtener su valor:

Pérdidas singulares.

Las pérdidas singulares son las producidas por cualquier obstáculo colocado en la tubería que suponga una mayor o menor obstrucción al paso del flujo: entradas y salidas de las tuberías, codos, válvulas, cambios de sección, etc. Normalmente son pequeñas comparadas con las pérdidas lineales, salvo que se trate de válvulas casi

completamente cerradas. Para su estimación se suele emplear la siguiente expresión:

donde hps: es la pérdida de carga en la singularidad, que se considera proporcional a la energía cinética promedio del flujo; la constante de proporcionalidad, , es el denominado coeficiente de pérdidas singulares.

Procedimiento Experimental.

Para la realización de esta experiencia se deben seguir los siguientes pasos:

Abrir todas las válvulas del manómetro diferencial.

Poner en funcionamiento la motobomba

Cerrar todas las válvulas del manómetro, cuando el sistema de rebalse esté funcionando se tiene la altura de carga constante.

Eliminar completamente el aire contenido en las mangueras y manómetro.

Abrir la llave del manómetro que corresponda a la tubería seleccionada.

Ajustar válvulas de control de la tubería seleccionada al máximo flujo.

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