perdidas de carga en elementos de un sistema de tuberias lab
Post on 16-Jan-2016
57 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL
Escuela Profesional de Ingeniería Química
Laboratorio de Operaciones Unitarias I
PI 135 B
PERDIDA DE CARGA EN ELEMENTOS DE
SISTEMAS DE TUBERÍAS
Nombre del profesor responsable de la práctica
ING. MAGALI CAMILA VIVAS CUELLAR
Nombre y código de alumnos integrantes del grupo de trabajo:
BRAVO LEON ANGEL ORLANDO 20112102D
CADENAS VASQUEZ WALTER 20110388H
CRIBILLERO LOAYZA JAIR MARTIN 20110278H
ECHEVERRE LORENZO JESUS 20080214G
Lima, 06 de marzo del 2015
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
2
INDICE
I. RESUMEN…………………………………………………………….Pag.3
II. INTRODUCCIÓN……………………………………………………..Pag.3
1. FUNDAMENTO TEORICO……………………………………………… Pag.4
2. OBJETIVOS……………….……………………………………………… Pag.6
3. METODOLOGÍA…………………………………………………………..Pag.6
3.1 Descripción del método experimental……………………………....Pag.6
3.2 Ejecución del procedimiento experimental…………………………Pag.6
3.3 Descripción del equipo……………………………............................Pag.6
4. RESULTADOS…………………………………………………………….Pag.8
4.1 Variación de cargas de pérdidas primarias……………………….. Pag.8
4.2 Variación de cargas de pérdidas secundarias codos……………..Pag.11
4.3 Variación de cargas de pérdidas secundarias válvulas…………..Pag.14
4.4 Variación de cargas de pérdidas secundarias ensanchamiento
y contracción…………………………………………………………. Pag.17
5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS…………………………………..…… Pag.19
6. CONCLUSIONES…………………………………………………………Pag.21
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………….Pag.21
7. APÉNDICES…………………………………………………………….... Pag.22
7.1 Diagrama de equipo………………………...………………………..Pag.22
7.2 Datos de laboratorio…………………………………………………..Pag.22
7.3 Datos utilizados y muestra de cálculos……………………………..Pag.23
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
3
I. RESUMEN O ABSTRAC
El presente informe muestra detalladamente la perdida de carga en elementos de
sistemas de tuberías en el Laboratorio de Operaciones Unitarias; tuberías de hierro
galvanizado, tubería de acero inoxidable, tubería PVC, codos estándar de 90° de
hierro galvanizado, acero inoxidable y PVC, válvulas de globo y de compuerta. Las
caídas de presión fueron medidas por el manómetro en U de vidrio con mercurio y con
tetracloruro de carbono. Para controlar el flujo del fluido usamos un rotámetro y para
verificar el flujo que pasa a través de las tuberías usamos el contómetro. Los
resultados fueron recogidos en la hoja de datos (adjuntado en el informe) que son la
caída de presión, temperatura, longitud, flujo. Los resultados muestran que el fluido
esta en flujo turbulento y cómo se pierde la carga a través de las tuberías por fricción,
en los codos, en las válvulas. Con estas mediciones es posible realizar análisis
mediante la teoría de las tuberías, que nos permite comprobar si dichas teorías
predicen lo que sucede en realidad en los sistemas de tuberías.
II. INTRODUCCIÓN
Es esencial que el estudiante de Ingeniería Química tenga la capacidad de analizar los
procesos, expresarlos en un enunciado matemático y posteriormente cuantificarlos y
para alcanzar esta meta, el ingeniero químico tiene que dimensionar y seleccionar
óptimamente los componentes de un sistema de flujo de fluidos.
El laboratorio de flujo de fluidos tiene como propósito desarrollar en el alumno su
aptitud de comprensión de los fenómenos fundamentales que intervienen en el
transporte de cantidad de movimiento.
Los sistemas de tuberías forman parte importante de los procesos químicos. El flujo de
fluidos se hace dentro de ductos y tuberías. La cantidad de flujo se cuantifica con
medidores específicos para líquidos o gases y se controlan mediante válvulas de
diversos tipos. Los fluidos incompresibles fluyen por gravedad o se impulsan con
dispositivos mecánicos como bombas; si se impulsan fluidos comprensibles, se usan
sopladores o ventiladores.
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
4
1) FUNDAMENTO TEORICO
CAÍDA DE PRESIÓN O PÉRDIDA DE CARGA:
La pérdida de carga en una tubería, es la pérdida de presión en un fluido debido a la
fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las
conduce. 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.
NUMERO DE REYNOLDS:
El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica
de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de
dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos
casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de
Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).
Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de
Reynolds viene dado por:
O equivalentemente por:
Dónde:
: Densidad del fluido
: Velocidad característica del fluido
: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud
característica del sistema
: Viscosidad dinámica del fluido
: Viscosidad cinemática del fluido (m²/s)
Para valores de Re < 2100 (para flujo interno en tuberías circulares) el flujo se
mantiene estacionario y se comporta como si estuviera formado por láminas delgadas,
que interactúan sólo en función de los esfuerzos tangenciales existentes. Por eso a
este flujo se le llama flujo laminar.
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
5
Para valores de Re > 3000, (para flujo interno en tuberías circulares) después de un
pequeño tramo inicial con oscilaciones variables, el colorante tiende a difundirse en
todo el flujo. Este régimen es llamado turbulento, es decir caracterizado por un
movimiento desordenado, no estacionario y tridimensional.
DIAGRAMA DE MOODY:
El diagrama de Moody (1944), permite determinar el valor del factor de fricción f a
partir de Re y K/D de forma directa. Es una representación log - log del factor de
fricción f frente al Re, tomando como parámetro K/D. Se distinguen cinco zonas,
correspondientes a los distintos regímenes hidráulicos, correspondiendo al coeficiente
de fricción f valores diferentes en cada caso.
En el caso de que no se puede calcular Re por desconocer la velocidad (v), en abcisas
en la parte superior del diagrama aparece el valor:
(Expresión obtenida mediante un simple artilugio en la Darcy-Weisbach)
Dicho diagrama se puede aplicar a cualquier líquido y a cualquier tipo de flujo.
Gráfica N° 1 Diagrama de Moody
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
6
2) OBJETIVOS
Desarrollar en el estudiante habilidades para el planteamiento, ejecución e
interpretación de resultados, de experimentos sobre la pérdida de carga en
elementos de sistemas de tubería.
Determinar las variables involucradas en el estudio de un fluido a través de una
tubería y accesorios verificando las pérdidas de energía
Comparar e interpretar las variaciones respecto a las pérdidas de cargas
experimentales y teóricas.
3) METODOLOGÍA
3.1 Descripción del método experimental
Plan de Trabajo:
Lo primero que debemos desarrollar es un plan de trabajo, este consistente en
un procedimiento basado en los objetivos de la experiencia, los cuales han sido
detallados arriba.
Identificación de Elementos:
Debemos empezar por tener un riguroso conocimiento de los elementos
(instrumentación) de un sistema de tuberías, cuya pérdida de carga se desea
evaluar, estos son:
Tuberías de hierro galvanizado, de PVC y de acero inoxidable.
Codos de 90º de hierro galvanizado, de PVC y de acero inoxidable.
Válvula de globo de bronce de dos diámetros diferentes.
Válvula de compuerta.
Válvula de globo.
Bushing de tipo campana de 11/2” a 1”
Unión universal de hierro galvanizado.
Unión simple de hierro galvanizado.
Placa de orificio de 13/16”
Placa de orificio de 1/2”
3.2 Ejecución del procedimiento experimental
Comprende la ejecución del plan de trabajo. En esta etapa el grupo de
estudiantes realiza la operación del equipo y la recolección de los datos en
forma cooperativa, rotando en la ejecución de las distintas tareas involucradas.
La ejecución de esta etapa recibe supervisión del profesor responsable.
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
7
Análisis de datos
Para cada uno de las sustancias, determinar a partir de tabla en función a la
temperatura:
Obtenidos en el laboratorio:
Para cada uno de los elementos analizados se deberá recolectar los siguientes
datos:
Para Perdidas de cargas Primarias (Tuberías Rectas)
Para pérdidas de Cargas Secundarias (Codos, Expansión, Reducción, Y
Válvulas)
A partir de tablas:
Accesorios y material K D
Codos
Válvula Globo de 1”
Válvula Globo de 11/2
Tubo de expansión
2
exp 1 aancion
b
SK
S
γH2O ρHg ρCCl4 μH2O ρH2O є/DPVC є/DFe Galv є/Dacero Inox
Tipo
Manómetro
Descripción del tramo usado Rotámetro Contometro Diferencia de alturas
Tramo Material
D L Qref t volumen Q dh
(m) (m) (LPM) (seg) (m3)
(m3/seg) (m)
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
8
3.3 Descripción del equipo
El equipo con el cual se va a trabajar para esta experiencia de laboratorio es el
equipo que se encuentra en el Laboratorio Nº 23 y consta de 2 tuberías de
hierro galvanizado de diferentes diámetros, una tubería de PVC y una tubería
de acero inoxidable. También consta de diversos accesorios como codos de
90º, válvula de diferentes tipos, placas de orificio, una bomba centrífuga, entre
otros elementos.
4) RESULTADOS
4.1 VARIACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA PRIMARIAS CON EL
CAUDAL Y RUGOSIDAD.
Tabla N°1 Datos experimentales para pérdidas primarias
Tuberías Tiempo(s)
Caudal
rotámetro (L/M)
Caudal
contrómetro
(L/M)
Caída de
presión
Caída de presión
(cm H2O)
4.28 15 14.01869159 3.4 cmCCl4 5.422990813
(D= 1 pulg) 2.98 20 20.13422819 5.1 cmCCl4 8.134486219
PVC 2.23 25 26.9058296 8.1 cmCCl4 12.91947811
(L=195cm) 1.96 30 30.6122449 11.6 cmCCl4 18.50196866
T=31°C 1.69 35 35.50295858 15.3 cmCCl4 24.40345866
4.29 15 13.98601399 0.1 cmHg 1.359210526
(D= 1 pulg) 2.93 20 20.4778157 0.2 cmHg 2.718421053
ACERO INOX. 2.2 25 27.27272727 0.4 cmHg 5.436842105
(L=195,3c) 1.96 30 30.6122449 0.6 cmHg 8.155263158
T=31°C 1.71 35 35.0877193 0.8 cmHg 10.87368421
(D= 1 pulg) 4,28 15 14.01869159 3.6 cmCCl4 5.741990273
FIERRO 2,98 20 20.13422819 7.3 cmCCl4 11.64348027
GALV. 1,96 30 30.6122449 16.5 cmCCl4 26.31745542
(L=191cm) 1,5 40 40 28.3 cmCCl4 45.13842353
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
9
Tabla N° 2 Perdidas de carga teóricas.
Caudal
contómetro(m3/s)
Velocidad
(m/s)
Numero de
Reynolds(Re)
tipo de
flujo e/D
Factor fricción
(f)
perdida de
carga(cmH20)
0.000233645 0.460837988 15242.60973 turbulento 5.90551E-05 0.0077 0.6398662
0.00033557 0.661874694 21892.07035 turbulento 5.90551E-05 0.0065 1.1142094
TUBERIA 0.00044843 0.884478291 29254.87428 turbulento 5.90551E-05 0.006 1.8366546
PVC 0.000510204 1.006319688 33284.88247 turbulento 5.90551E-05 0.0059 2.3378995
0.000591716 1.167092655 38602.58558 turbulento 5.90551E-05 0.0057 3.0379976
0.0002331 0.459763774 1169268.725 turbulento 7.87402E-05 0.0075 0.6212985
TUBERIA 0.000341297 0.673169484 1712000.966 turbulento 7.87402E-05 0.0069 1.2253706
DE ACERO 0.000454545 0.896539358 2280074.014 turbulento 7.87402E-05 0.0064 2.0159893
INOX. 0.000510204 1.006319688 2559266.75 turbulento 7.87402E-05 0.0063 2.5002418
0.000584795 1.153442449 286884205.9 turbulento 0.005905512 0.0087 443.6206571
0.000233645 0.460837988 114619624.3 turbulento 0.005905512 0.009 73.2554095
FIERRO 0.00033557 0.661874694 164621473.9 turbulento 0.005905512 0.0093 156.147541
GALV. 0.000510204 1.006319688 250291832.7 turbulento 0.005905512 0.0088 341.5507619
0.000666667 1.314924392 327047994.7 turbulento 0.005905512 0.0085 563.2758564
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
10
Pérdida de carga vs caudal (tubería de PVC)
Gráfica N° 2 Pérdida de carga vs caudal (tubería de PVC)
Pérdida de carga vs caudal (tubería acero Inoxidable)
Gráfica N°3 Pérdida de carga vs caudal (tubería acero inoxidable)
y = 8E+06x2 + 344.81x + 0.134 R² = 0.9999
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
a d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hf vs caudal
y = 2E+06x1.7714 R² = 0.9999
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006
pe
rdid
a d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hf vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
11
Pérdida de carga vs caudal (tubería de fierro galv.)
Gráfica N° 4 Pérdida de carga vs caudal (tubería de fierro galv.)
4.2 VARIACIÓN DE PERDIDAS DE CARGAS SECUNDARIAS EN
CODOS CON EL CAUDAL.
tiempo(s)
Caudal
rotámetro (L/M)
Caudal
contrometro(L/M)
Caída de
presión
Caída de
presión(cm H2O)
4.1 15 14.63 1.5 cmHg 20.38815789
2,98 20 20.13 2.5 cmHg 33.98026316
TUBERIA 2,2 25 27.27 4 cmHg 54.36842105
PVC 1.95 30 30.76923077 2.6 cmHg 35.33947368
1.6 35 37.5 4.7 cmHg 63.88289474
4.08 15 14.70588235 2.8 cmCcl4 4.465992434
TUBERIA 2.98 20 20.13422819 5.2 cmCcl4 8.293985949
DE ACERO 2.15 25 27.90697674 8.5 cmCcl4 13.55747703
INOX. 1.93 30 31.0880829 11.8 cmCcl4 18.82096812
1.58 35 37.97468354 16.4 cmCcl4 26.15795569
4.09 15 14.66992665 0.3 cmHg 4.077631579
TUBERIA 2.97 20 20.2020202 0.7 cmHg 9.514473684
DE 2.1 30 28.57142857 1.6 cmHg 21.74736842
FIERRO 1.94 40 30.92783505 2.6 cmHg 35.33947368
GALV. 1.59 50 37.73584906 4.7 cmHg 63.88289474
Tabla N° 3 Datos experimentales para perdidas menores codos.
y = 1E+09x2 + 230503x - 34.842 R² = 1
0
100
200
300
400
500
600
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008
pe
rdid
a d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hf vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
12
TABLA N°4 Pérdidas de cargas menores en codos teóricas.
Codos Caudal
contrometro(m3/s) Velocidad(m/s)
Numero de
Reynolds(Re)
tipo de
flujo e/D
Factor
fricción (f)
perdida de
carga(cmH20)
Coef. de perdida
secundaria (k)
0.000243833 0.481218341 15916.7073 turbulento 5.91E-05 0.0072 0.52978166 0.216
0.0003355 0.662127492 21900.43185 turbulento 5.91E-05 0.0064 0.647953509 0.192
TUBERIA 0.0004545 0.896980462 29668.39426 turbulento 5.91E-05 0.006 0.822917855 0.18
PVC 0.000512821 1.012079165 33475.38209 turbulento 5.91E-05 0.0059 0.913037779 0.177
0.000625 1.233471482 40798.12192 turbulento 5.91E-05 0.0055 1.037323112 0.165
0.000245098 0.483714307 15999.26349 turbulento 7.87E-05 0.007 0.517737025 0.21
TUBERIA 0.00033557 0.662266568 21905.03191 turbulento 7.87E-05 0.0065 0.658216008 0.195
ACERO 0.000465116 0.917932266 30361.39305 turbulento 7.87E-05 0.006 0.842139693 0.18
INOX. 0.000518135 1.022567032 33822.27724 turbulento 7.87E-05 0.0059 0.92249931 0.177
0.000632911 1.249085045 41314.55384 turbulento 7.87E-05 0.0055 1.050453784 0.165
0.000244499 0.482531631 15960.14549 turbulento 0.005905512 0.0092 0.678790674 0.276
TUBERIA 0.0003367 0.664496421 21978.78622 turbulento 0.005905512 0.0089 0.904284121 0.267
FIERRO 0.00047619 0.939787796 31084.28337 turbulento 0.005905512 0.0084 1.207066894 0.252
GALV. 0.000515464 1.017296068 33647.9356 turbulento 0.005905512 0.0083 1.291063817 0.249
0.000628931 1.241229165 41054.71389 turbulento 0.005905512 0.0082 1.556281215 0.246
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
13
Pérdida de la carga vs el caudal (codo de PVC)
Gráfica N° 5 Pérdida de la carga vs el caudal (codo de PVC)
Pérdida de la carga vs el caudal (codo de acero inox.)
Gráfica N° 6 Pérdida de la carga vs el caudal (codo de acero inox.)
y = -393526x2 + 1700.7x + 0.1328 R² = 0.9981
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
as m
en
ore
s (c
mH
20
)}
caudal (m3/s)
hL vs caudal
y = -703216x2 + 1999.6x + 0.0685 R² = 0.9996
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
as m
en
ore
s(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hL vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
14
Perdida de la carga vs el caudal (codo de fierro galv.)
Gráfica N° 7 Pérdida de la carga vs el caudal (codo de fierro galv.)
4.3 VARIACIÓN DE LA PÉRDIDA DE CARGAS SECUNDARIAS EN
VÁLVULAS CON EL CAUDAL.
Tabla N° 5 Datos experimentales para perdidas menores (válvulas)
Válvulas Tiempo(s)
Caudal
rotámetro (L/M)
Caudal
contrometro
Caída de
presión
Caída de
presión (cm
H2O)
4.1 15 14.63414634 0.9 cmHg 12.23289474
(D =1 pulg.) 2.93 20 20.4778157 1.9 cmHg 25.825
TUBERIA DE 2.1 25 28.57142857 2.6 cmHg 35.33947368
FIERRO GALV. 1.92 30 31.25 4.1 cmHg 55.72763158
1.6 35 37.5 5.4 cmHg 73.39736842
4 15 15 0.2 cmHg 2.718421053
(D =1.5 pulg.) 2.95 20 20.33898305 0.4 cmHg 5.436842105
TUBERIA DE 2.37 25 25.3164557 0.5 cmHg 6.796052632
FIERRO GALV. 2.02 30 29.7029703 0.6 cmHg 8.155263158
1.71 35 35.0877193 0.7 cmHg 9.514473684
4.09 15 14.66992665 1.6 cmccl4 2.551995677
(D =1 pulg.) 2.93 20 20.4778157 3.1 cmccl4 4.944491624
TUBERIA PVC 2.36 25 25.42372881 4.9 cmccl4 7.81548676
1.96 30 30.6122449 6.8 cmccl4 10.84598163
1.71 35 35.0877193 8.7 cmccl4 13.87647649
y = -719278x2 + 2904.9x
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
as m
en
ore
s(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hL vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
15
Tabla N° 6 Perdidas de cargas menores teóricas en válvulas
Válvulas Caudal
contrometro(m3/s)
Velocidad
(m/s)
Numero de
Reynols(Re)
tipo de
flujo e/D
Factor
fricción(f)
Pérdida de
carga(cmH20)
Coef. de perdida
secundaria (k)
Valv. de 0.000243902 0.481354725 15921.21831 turbulento 5.91E-03 0.0094 148.595114 3.196
Globo 0.000341297 0.673568045 22278.83791 turbulento 5.91E-03 0.0084 260.009032 2.856
Fierro Galv. 0.00047619 0.939787796 31084.28337 turbulento 5.91E-03 0.0083 500.131135 2.822
D=1.0 pulg 0.000520833 1.027892902 33998.43493 turbulento 5.91E-03 0.0082 591.092956 2.788
D=0.0254m 0.000625 1.233471482 40798.12192 turbulento 5.91E-03 0.0081 840.793687 2.754
Valv. de 0.00025 0.178443969 5902.186546 turbulento 3.94E-03 0.008 0.44300957 0.104
compuerta 0.000338983 0.241957924 8002.964808 turbulento 3.94E-03 0.0078 0.79413379 0.1014
Fierro Galv. 0.000421941 0.301171255 9961.496281 turbulento 3.94E-03 0.0076 1.19883663 0.0988
D=1.5 pulg 0.00049505 0.353354393 11687.49811 turbulento 3.94E-03 0.009 1.95426239 0.117
D=0.0381m 0.000584795 0.417412792 13806.28432 turbulento 3.94E-03 0.0089 2.69675125 0.1157
Valv. de 0.000244499 0.482531631 15960.14549 turbulento 5.90551E-05 0.0068 108.020625 2.312
globo 0.000341297 0.673568045 22278.83791 turbulento 5.90551E-05 0.0063 195.006774 2.142
PVC 0.000423729 0.836251852 27659.74367 turbulento 5.90551E-05 0.0062 295.809469 2.108
D=1.0 pulg 0.000510204 1.006915496 33304.58932 turbulento 5.90551E-05 0.0061 421.951059 2.074
D=0.0254m 0.000584795 1.154125363 38173.68133 turbulento 5.90551E-05 0.006 545.259723 2.04
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
16
Pérdida de la carga vs el caudal (válvula de globo, fierro galvanizado, 1 pulg.)
Gráfica N° 8 Pérdida de carga vs el caudal (válvula de globo, fierro galvanizado,
1 pulg.)
Pérdida de la carga vs el caudal (válvula de compuerta, fierro galvanizado, 1.5
pulg.)
G
r
á
f
i
c
a
d
e
l
Gráfica N° 9 Pérdida de la carga vs el caudal (válvula de compuerta, fierro
galvanizado, 1.5 pulg.)
y = 1E+07x2 - 2973.3x + 0.442 R² = 0.9945
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
a d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal (m3/s)
hL vs caudal
y = 2E+09x2 + 99938x
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
as d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hL vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
17
Pérdida de la carga vs el caudal (válvula de globo, PVC, 1 pulg.) Gráfica de
Gráfica N° 10 Pérdida de la carga vs el caudal (válvula de globo,
PVC, 1 pulg.)
4.5 VARIACIÓN DE PERDIDAS DE CARGA SECUNDARIAS EN
CAMBIO DE ÁREA FLUJO CON CAUDAL
Tiempo(s)
Caudal
rotámetro (L/M)
Caudal
contrometro(L/M)
Caída de
presión
Caída de
Presión(cm H2O)
3.98 15 15.07537688 0.5 cmccl4 0.797498649
3.02 20 19.86754967 0.6 cmccl4 0.956998379
Ensancha. 2.41 25 24.89626556 1.5 cmccl4 2.392495947
2.02 30 29.7029703 2.7 cmccl4 4.306492704
1.71 35 35.0877193 3.5 cmccl4 5.582490543
4 15 15.0000000 0.9 cmccl4 1.435497568
2.95 20 20.33898305 1.5 cmccl4 2.392495947
Contracción 2.37 25 25.3164557 2.6 cmccl4 4.146992975
2.02 30 29.7029703 3.3 cmccl4 5.263491083
1.71 35 35.0877193 4.7 cmccl4 7.4964873
Tabla N° 7 Datos experimentales para perdidas menores (ensanchamiento y
contracción
y = 1E+09x2 + 78602x
0
100
200
300
400
500
600
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
a d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hL vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
18
Tabla N° 8 Perdidas de cargas menores teóricas en contracción y ensanchamiento
Pérdida de la carga vs el caudal (Ensanchamiento)
Gráfica N° 11 Pérdida de la carga vs el caudal (Ensanchamiento)
Caudal
contrometro(m3/s) Velocidad(m/s)
Coeficiente de perdida
secundaria (k)
Perdida de
carga(cmH20)
0.000251256 0.495867932 0.34 0.4261004
Ensancha 0.000331126 0.653494825 0.33 0.718289
(D2/D1=1.5) 0.000414938 0.818902229 0.326 1.1142502
0.00049505 0.977007115 0.323 1.5714442
0.000584795 1.154125363 0.315 2.1385407
0.00025 0.493388593 0.215 0.2667581
0.000338983 0.669001482 0.215 0.4904487
Contrac 0.000421941 0.832723364 0.215 0.7598729
(D1/D2=1.5) 0.00049505 0.977007115 0.215 1.0460078
0.000584795 1.154125363 0.215 1.4596389
y = 6E+06x2 + 243.21x
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
a d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal(m3/s)
hL vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
19
Pérdida de la carga vs el caudal (Contracción)
Gráfica N° 12 Pérdida de la carga vs el caudal (Contracción)
5) DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Con respecto a una tubería con las mismas dimensiones, transportando el
mismo fluido a un caudal cte. pero de diferente material se pudo observar que
existía una mayor pérdida de carga en la tubería de fierro galvanizado, los
cálculos permitieron comprobar que esto era correcto debido al mayor factor de
fricción de este con respecto al PVC y al acero generando una mayor pérdida
de carga.
Los resultados del número de Reynolds obtenidos para el fluido de trabajo
(agua) describieron a un flujo turbulento por lo cual el trabajo se realizado para
el cálculo del factor de fricción conllevo el uso del Diagrama de Moody.
Los resultados obtenidos en la gráfica N° 1, N° 2 y N°3 muestran una curva
creciente en el análisis de perdida de carga vs caudal, esto debido a que
haciendo un análisis en la ecuación de Darcy el caudal varia de manera
cuadrática.
y = 4E+06x2 - 0.0043x
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007
pe
rdid
a d
e c
arga
(cm
H2
0)
caudal(m3/s)del eje
hL vs caudal
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
20
(
)
A través de la tabla N° 1 de resultados podemos observar que para la mayoría
de los casos, a medida que disminuye el caudal aumenta el factor de fricción,
esto debido al rozamiento, resistencia al deslizamiento, rodadura o flujo de un
cuerpo en relación a otro con el que está en contacto, en este caso el fluido y la
tubería. La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza que
comprime un objeto contra el otro, e inversamente proporcional a la velocidad,
lo cual se comprueba con resultados obtenidos en la tabla N° 1.
Con respecto al análisis de los resultados obtenidos en las pérdidas menores:
Al analizar los diferentes tipos de válvulas trabajadas en el experimento, los
resultados brindados en la tabla N° 6 indicaron que trabajando con el mismo
material y el mismo fluido con el mismo caudal, la válvula de globo evidenció
mayor pérdida de carga con respecto a la válvula de compuerta, esto se debe a
entre otros factores:
La diferencia de diámetros (1” válvula de globo, 1 ½” válvula de
compuerta) debido a que la perdida de carga es menor a mayor diámetro
generando una mayor velocidad la cual causa una menor fricción.
La complejidad de la trayectoria a la cual será sometido el fluido
generando mayor turbulencia , mientras que la valvula de compuerta
cuando se encuentra abierta por completo genera muy poca obstrucción
al fluido.
Analizando los resultados de la tabla N° 4, las pérdidas de carga se ven
influida por la velocidad del fluido y el factor K (coeficiente de perdida
secundaria) el cual es un equivalente a la expresión fxL/D en la ecuación de
Darcy, por lo cual el material y su forma influyen en los valores de K ,variando
por ende las pérdidas de carga.
Analizando los resultados obtenidos en la tabla N° 6 ahora para el caso de un
mismo tipo de válvula (globo) pero de diferente material ,la valvula de globo de
Fe genera una mayor pérdida de carga con respecto a la válvula de globo de
PVC, esto es influenciado en gran medida por el factor de fricción dependiente
de cada material.
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
21
6) CONCLUSIONES
Las pérdidas de carga para tuberías del mismo diámetro pero de distintos
materiales será diferente pues está en función del factor de fricción que a la
vez está en función de Re y de la rugosidad del material, concluyendo con los
resultados obtenidos que:
El análisis del N° de Reynolds para el fluido de trabajo concluyo que se trabajó
con un fluido en régimen turbulento durante todo el experimento.
Concluimos del experimento que la velocidad de desplazamiento del fluido
varía de manera inversa con el factor de fricción, obteniendo valores altos de f
con los caudales menores.
El tamaño de los accesorios influyen en las perdidas de carga, a mayor tamaño
las pérdidas de carga serán menores.
La trayectoria en la cual se desplaza el fluido influye en las perdidas de carga,
siendo mayores cuando el fluido tiene mayor contacto con el otro cuerpo.
Al igual que en las tuberías, el material de los accesorios influye en las
perdidas de carga que sufrirá el fluido, nuevamente la causa es el factor de
fricción dependiente del material y sus características.
La Expansión y Contracción de una tubería generan perdida de carga, ya que
estas se dan de manera brusca con lo que el fluido generando una disminución
en su velocidad o aumentando la fricción con la tubería. Estas pérdidas pueden
disminuirse reduciendo o aumentando en forma gradual la sección transversal.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Mc Cabe W, Smith J, Harriot P. 2007 Operaciones en Ingeniería Química
México DF, México, McGrawHill
Robert L. Mott, “Mecánica de Fluidos Aplicada”, Editorial Prentice Hall,
Cuarta Edición, México D.F., 1996
Cengel Y., “Termodinámica” 2009 México DF, México, McGrawHill
Valores típicos de coeficientes de rugosidad
http://es.slideshare.net/cosmeacr/coeficientes-de-rugosidad-haestad
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
22
7) APÉNDICES
7.1 DIAGRAMA DE EQUIPO
7.2 DATOS DE LABORATORIO
Leyenda:
T
codo
Valv. compuerta
Valv. globo
Valv. bola
placa orificio
Ventury
union universal
expansor/reductor
fierro galvanizado
pvc
acero inoxidable
medidor volumetrico
union roscada
tramo g
tramo c
tramo k tramo h
tramo j
tramo b
tramo d
tramo a
tramo e
tramo f
P2 man P3 man
P1 man
manometro
Diagrama 2
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
23
7.3 MUESTRA DE CALCULOS Y DATOS UTILIZADOS
PROPIEDADES FISICAS DE AGUA
FUENTE: TERMODINAMICA CENGEL
PERDIDAS DE CARGA PRIMARIAS: TUBERIAS
CÁLCULO DEL ÁREA EN LA TUBERIA
Área (A)
2
De la ecuación de Darcy:
f=
flujo laminar( Re≤ 2100)
f,se obtendrá del diagrama de Moody para (Re≥ 2100)
Datos bibliográficos:
Para el PVC L(PVC) =1.95 m
T= 31°C densidad (ƍ)= 62.11lb/ft3 viscosidad (µ)= 0.764cP
T=87.8°F˂˃ 90°F viscosidad (µ)= 0.764x10-3 Kg/m.s
Densidad (ƍ)= 994.88Kg/m3
Rugosidad del PVC (e) = 0.0015 mm
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
24
Para el acero inox. L (acero inox.) =1.953 m
T= 30°C densidad (ƍ)= 62.11lb/ft3 viscosidad (µ)= 0.764cP
T=86°F˂˃ 90°F viscosidad (µ)= 0.764x10-3 Kg/m.s
Densidad (ƍ)= 994.88Kg/m3
Rugosidad del PVC (e) = 0.002 mm
Para el fierro galvanizado L (fierro galv.) =1.91 m
T= 31°C densidad (ƍ)= 62.11lb/ft3 viscosidad (µ)= 0.764cP
T=87.8°F˂˃ 90°F viscosidad (µ)= 0.764x10-3 Kg/m.s
Densidad (ƍ)= 994.88Kg/m3
Rugosidad del PVC (e) = 0.15 mm
DIAGRAMA DE MOODY
FUENTE: MECANICA DE FLUIDOS ROBERT MOTT
De la ecuación de Darcy:
Tubería de PVC (Caudal 15L/min , L=195 cm) f=0.0077
Tubería acero inoxidable (Caudal 15L/min , L=195 cm) f=0.0075
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
25
Tubería fierro galvanizado (Caudal 15L/min , L=195 cm) f=0.009
PERDIDAS DE CARGAS SECUNDARIAS: CODOS Y VALVULAS
Fuente: Mecánica de fluidos Robert Mott
Datos bibliográficos:
= x
=f x
Codo normal a 90° L/D =30 (longitud equivalente por diámetro de tubería)
Para el PVC D (PVC) =0.0254 m
T= 31°C densidad (ƍ)= 62.11lb/ft3 viscosidad (µ)= 0.764cP
T=87.8°F˂˃ 90°F viscosidad (µ)= 0.764x10-3 Kg/m.s
Densidad (ƍ)= 994.88Kg/m3
Rugosidad del PVC (e) = 0.0015 mm
Para el acero inox. D (acero inox.) =0.0254 m
T= 30°C densidad (ƍ)= 62.11lb/ft3 viscosidad (µ)= 0.764cP
T=86°F˂˃ 90°F viscosidad (µ)= 0.764x10-3 Kg/m.s
Densidad (ƍ)= 994.88Kg/m3
Rugosidad del acero inox. (e) = 0.002 mm
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
26
Para el fierro galvanizado D (fierro galv.) =0.0254 m
T= 31°C densidad (ƍ)= 62.11lb/ft3 viscosidad (µ)= 0.764cP
T=87.8°F˂˃ 90°F viscosidad (µ)= 0.764x10-3 Kg/m.s
Densidad (ƍ)= 994.88Kg/m3
Rugosidad del fierro galv. (e) = 0.15 mm
Efecto de válvulas y accesorios
Kf: factor de perdida para el accesorio
Va: velocidad media en la tubería que conduce el
accesorio
Codos normales:
f diagrama de Moody
Para tubería PVC caudal 25L/M
PERDIDAS DE CARGA SECUNDARIAS: ENSACHAMIENTO –
CONTRACCIÓN
S1 : Sección transversal de la parte estrecha = 0.0005067 m2
S2 : Sección transversal de la parte ancha del conducto = 0.00114 m2
D1 0.0254m
D2 0.0381m
Área 0.0005m2
D1(m) 0.0381m
D2(m) 0.0254m
PERDIDAS DE CARGA EN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TUBERIAS LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS I
27
Ensanchamiento:
Coeficientes de
resistencia para
dilatación(Robert L. Mott,
“Mecánica de Fluidos
Aplicada”, Editorial Prentice
Hall, Cuarta Edición,
México D.F., 1996)
Contracción:
Coeficientes de resistencia para contraccion(Robert L. Mott, “Mecánica de Fluidos Aplicada”, Editorial Prentice Hall, Cuarta Edición, México D.F., 1996)
Ke
Ke: coeficiente de pérdida por expansión
Va: velocidad media en la parte estrecha
h:perdida por fricción debida a un ensanchamiento
Pérdida por fricción debida a la contracción de la
sección transversal (Contracción)
Kc
Kc: coeficiente de pérdida por contracción
Va: velocidad media a la salida de la sección estrechan: pérdida por fricción
debida a una contracción
top related