informe 3 de laboratiorio

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

MECANICA DE FLUIDOS II

INTRODUCCIN

El presente trabajo muestra el desarrollo del ensayo de PRDIDAS DE

CARGAS LOCALES con la finalidad de calcular cual es la perdida que se da

debido a los diferentes accesorios que se poseen el equipo de Perdidas de

Cargas Locales, viendo as los caracteres de una corriente hidrulica que

circula por un sistema en que existen cambios en seccin, direccin y

vlvulas.

Gracias a este ensayo se podrn visualizar las prdidas de energa que se

vieron tericamente lo que es de gran importancia pues nos permitir

desarrollar en el futuro obras hidrulicas en las que tendremos que tomar

muy en cuentas estas prdidas de carga.

Es de gran inters que el profesional egresado de la escuela profesional

de Ingeniera Civil, est en la capacidad idnea sobre la importancia del

empleo de las distintas herramientas de modelacin de los fenmenos

hidrulicas para determinar las propiedades fsicas y mecnicas del

fluido.

OBJETIVOS

De la experiencia realizada en el Laboratorio de Hidrulica se presentan los siguientes objetivos: Poner de manifiesto las prdidas de carga y los caracteres de una

corriente que circula por un sistema hidrulico en el que existen cambios de seccin de direccin de vlvulas.

Calcular el margen de error entre la constante del accesorio

calculado experimentalmente y el terico. Experimentar y calcular las prdidas de carga de corriente que

circula en un sistema hidrulico para los casos de ensanchamiento, estrechamiento, codo corto, codo medio, codo largo e inglete.

Encontrar el coeficiente de perdida de carga local promedio (K), para cada uno de los accesorios antes mencionados.

MARCO TERICO

PRDIDADAS LOCALES

FRMULA GENERAL Las tuberas de conduccin que se utilizan en la prctica estn compuestas, generalmente, por tramos rectos y curvos para ajustarse a los accidentes topogrficos del terreno, as como a los cambios que se presentan en la geometra de la seccin y de los distintos dispositivos para el control de las descargas (vlvulas y compuertas). Estos cambios originan prdidas de energa, distintas a las de friccin, localizadas en el sitio mismo del cambio de geometra o de la alteracin del flujo. Tal tipo de prdida se conoce como prdida local. Su magnitud se expresa como una fraccin de la carga de velocidad, inmediatamente aguas abajo del sitio donde se produjo la prdida; la frmula general de prdida local es:

= 2

2

Dnde: = prdida de energa, en m.

= coeficiente sin dimensiones que depende del tipo de prdida que se trate, del nmero de Reynolds y de la rugosidad del tubo 2 2 = la carga de velocidad, aguas abajo, de la zona de alteracin del flujo en m. En general, el coeficiente de prdida depende de la geometra del accesorio y del nmero de Reynolds, tal como del factor de friccin. Sin embargo, usualmente se supone que es independiente del nmero de Reynolds. sta es una solucin razonable porque, en la prctica, la mayora de los flujos tienen nmeros de Reynolds grandes y los coeficientes de prdida (que incluyen el factor de friccin) tienden a ser independientes de nmero de Reynolds grandes. Cuando se experimenten y comprueben todos los coeficientes de prdida, la prdida de carga total en un sistema de tubera se determina de la siguiente manera: :

, = , + ,

, =

2

2+ ,

2

2

Donde i representa cada tramo de tubera con dimetro constante y j represent cada accesorio que provoca una prdida menor. Si iodo el sistema de tubera por analizar tiene un dimetro constante, la ecuacin anterior se reduce a:

( = ):

, = (

+ )

2

2

Donde V es la velocidad de flujo promedio a travs de todo el sistema (note que V = constante pues D = constante).

En la siguiente tabla se observan los coeficientes de prdida representativos KL para entradas, salidas, codos, cambios de rea repentinos y graduales, y vlvulas.

COEFICIENTES DE PRDIDA REPRESENTATIVOS KL

Coeficientes de prdida KL de varios accesorios de tubera para flujo

turbulento (para usar en la relacin = 2

2 donde V es la velocidad

promedio en la tubera que contiene el accesorio) Entrada de la tubera Reentrante: KL = 0.80

De borde agudo: KL = 0.50

Redondeada (r/D>0.2): KL = 0.03 Ligeramente redondeada (r/D =0.1): KL = 0.12

Salida de la tubera Reentrante: KL = ( = 1 para flujo turbulento)

De borde agudo: KL =

Redondeada: KL =

Expansin y contraccin repentina (con base en la velocidad en la tubera de dimetro ms pequeo)

Expansin repentina: = (1 2

2)2

Contraccin repentina: ver grfica.

Codos y Ramificaciones Codo suave de 90: Embridado: KL = 0.3 Roscado: KL = 0.9

Codo esquinado de 90 (sin labes directores):

KL = 1.1

Codo esquinado de 90 (con labes directores):

KL = 0.2

Vlvulas Las vlvulas se usan en los sistemas de tubera para controlar las razones de flujo al simplemente alterar la prdida de carga hasta que se logra la razn de flujo deseada. Para las vlvulas es deseable tener un coeficiente de prdida muy bajo cuando estn totalmente abiertas, de modo que causen la mnima prdida de carga durante la operacin de carga completa. En la actualidad, son de uso comn varios diseos distintos de vlvulas, cada uno con ventajas y desventajas. La vlvula de compuerta se desliza arriba y abajo como una compuerta, la vlvula de globo cierra un agujero colocado en la vlvula, la vlvula de ngulo es una vlvula de

globo con una vuelta de 90 y la de retencin permite que el fluido fluya slo en una direccin, como un diodo en un circuito elctrico. En el siguiente cuadro se indican los coeficientes de prdida representativos de los diseos populares. Vlvula de globo, totalmente abierta: KL = 10

Vlvula de compuerta, totalmente abierta: KL = 0.2

Vlvula de ngulo, totalmente abierta KL = 5

cerrada: KL = 0.3

Vlvula de bola, totalmente abierta: KL = 0.05

cerrada: KL = 2.1

Vlvula de chamela: KL = 2 cerrada: KL = 17

EQUIPOS Y MATERIALES

BANCO HIDRALICO

Descripcin:

Equipo para el estudio del comportamiento de los fluidos, la teora hidrulica y las propiedades de la mecnica de fluidos.

Compuesto por un banco hidrulico mvil que se utiliza para el laboratorio se experimentara con el equipo para PRDIDAS DE CARGA LOCALES, que permiten experimentar las prdidas de carga con accesorios.

Vlvula de desage fcilmente accesible. Dispone de un depsito escalonado (volumtrico) para medir

caudales altos y bajos, adems de una probeta de un litro de capacidad para caudales an ms bajos.

Caudal regulado mediante una vlvula de membrana. Bomba centrfuga.

EQUIPO PARA PRDIDAS DE CARGA LOCALES FMR05

Descripcin: El mdulo consiste en un circuito hidrulico dotado de una sucesin de elementos que provocan perturbaciones en el flujo normal del fluido que circula por la tubera, debidas a variaciones bruscas de seccin y direccin y rozamientos o friccin. Estos elementos son:

Dos codos de 90, uno corto y uno medio. Una curva de 90 o codo largo. Un ensanchamiento brusco de seccin. Un estrechamiento brusco de seccin. Un cambio brusco de direccin en forma de codo de inglete. El mdulo dispone de 2 manmetros, tipo Bourdon: 0 - 2,5 bar Doce tubos manomtricos de agua presurizada.

La presurizacin del sistema se realiza con una bomba manual de aire.

El circuito hidrulico dispone de tomas de presin a lo largo de todo el sistema, lo que permite la medicin de las prdidas de carga locales en el sistema. El mdulo dispone de dos vlvulas de membrana que son:

La primera vlvula que permite la regulacin del caudal de salida La segunda est dispuesta en serie con el resto de accesorios del

circuito hidrulico.

PROBETA GRADUADA

Se observa en la figura la toma de volmenes de agua en ml en la probeta. CRONMETRO

Se utiliza para tomar el tiempo, para despus calcular los respectivos caudales.

PROCEDIMIENTO

Montar el quipo para PRDIDAS DE CARGA LOCALES, sobre el Banco hidrulico.

Conectar el tubo de entrada el aparato a la impulsin del Banco, y empalmar un conducto flexible a la salida de aquel, para que pueda desaguar en el tanque volumtrico.

Abrir completamente la vlvula de control de salida del aparato y la vlvula de compuerta.

A continuacin, y una vez comprobado que el aire ha sido desalojado, cerrar la vlvula de control de salida y desconectar, con cuidado, la vlvula anti - Retorno hasta conseguir que los finos conductos de tomas de presin y los tubos manomtricos del panel estn llenos de agua.

Durante el ensayo se puede ajustar a voluntad los niveles de los tubos manomtricos, presurizando lentamente aire con la ayuda de la bomba manual, si se desea bajarlos liberando aire, a travs de la vlvula anti - retorno, si se quiere subirlos.

Abrir ligeramente la vlvula de control de salida. Tomar las lecturas indicadas en los tubos manomtricos y determinar el caudal del agua, anotando todos esos valores.

De forma escalonada, en sucesivas etapas, ajustar la vlvula de control de salida en distintos grados de apertura e ir anotando, como se ha indicado en el prrafo anterior, todas las lecturas correspondientes. Hasta cuando se haya alcanzado la mxima apertura de la vlvula.

Una vez llegado a este punto se proceder a la segunda parte del ensayo con el fin de determinar el valor de la constante K para la vlvula de la compuerta.

Abrir el mximo posible la vlvula de control de salida y abrir totalmente la vlvula de compuerta. En sucesivas etapas y escalonadamente, proceder al cierre de dicha vlvula anotando las

lecturas manomtricas y determinando el caudal correspondiente a cada etapa.

TOMA DE DATOS

En el laboratorio se tomaron los siguientes datos para registrar los datos referentes a los distintos caudales durante la primera parte del ensayo.

TOMA DE DATOS DE LOS TUBOS MANOMTRICOS

Elementos Alturas Serie N1 Serie N2 Serie N3 Ensanchamiento h1 (mm. c. a.) 272 291 332

h2 (mm. c. a.) 274 295 340 Estrechamiento h1 (mm. c. a.) 275 294 338

h2 (mm. c. a.) 271 285 320 Codo Largo h1 (mm. c. a.) 273 291 330

h2 (mm. c. a.) 271 286 319 Codo Medio h1 (mm. c. a.) 269 283 315

h2 (mm. c. a.) 267 281 310 Codo Corto 90 h1 (mm. c. a.) 266 277 302

h2 (mm. c. a.) 257 261 275 Inglete h1 (mm. c. a.) 214 185 113

h2 (mm. c. a.) 213 174 88

REGISTRO DE CAUDALES

N de

Serie

Volumen (ml)

Tiempo (s)

Caudal (m3/s)

Caudal Promedio (m3/s)

1

590 4.95 0.00011919 0.00011921 566 4.75 0.00011916

625 5.24 0.00011927

2 770 4.37 0.00017620

0.00017638 720 4.08 0.00017647 630 3.57 0.00017647

3

700 2.72 0.00025735 0.00025670 698 2.72 0.00025662

730 2.85 0.00025614

DATOS DE TUBERIAS

Dimetro de Tubera (pulg)

D (cm) rea de Seccin Transversal (m2)

media pulgada 1.27 0.000127

tres cuartos de pulgada

1.905 0.000285

TOMO DE DATOS DE LA VLVULA COMPUERTA

Lectura del Manmetro

(bar)

Volumen (ml)

Tiempo (s)

Caudal (m3/s)

0.5

612 2.75 0.00022255

680 3.05 0.00022295 598 2.69 0.00022230

PROCESAMIENTO DE INFORMACIN Y RESULTADOS Con los datos obtenidos completamos los siguientes cuadros destinados para hallar el coeficiente de perdida para cada accesorio utilizando la frmula general de prdida local: ENSANCHAMIENTO

Dimetro 1 = = 1.27 cm; Dimetro 2 = = 1.905 cm

Parmetros Caudal Promedio (m3/s) Serie N 1 0.00011921

Serie N 2 0.00017638

Serie N 3 0.00025670

Parmetros Serie N1 Serie N2 Serie N3

h (m) 0.002 0.004 0.008 V1 (m/s) 0.94105578 1.39236153 2.02644203 V2 (m/s) 0.41824701 0.61882735 0.9006409 V (m/s) 0.52280876 0.77353418 1.12580113

(V1-V2)2/2g (m) 0.01393114 0.0304972 0.06459879 K 0.14356325 0.13115957 0.12384134

KPROMEDIO = 0.133

ESTRECHAMIENTO

Dimetro 2 = = 1.27 cm; Dimetro 1 = = 1.905 cm

Parmetros Caudal Promedio (m3/s)

Serie N 1 0.00011921 Serie N 2 0.00017638

Serie N 3 0.00025670


h (m) 0.004 0.009 0.018 V1 (m/s) 0.41824701 0.61882735 0.9006409 V2 (m/s) 0.94105578 1.39236153 2.02644203 V (m/s) 0.52280876 0.77353418 1.12580113

(V2-V1)2/2g (m) 0.01393114 0.0304972 0.06459879 K 0.2871265 0.29510903 0.27864301

KPROMEDIO = 0.287

CODO LARGO

Dimetro = = 1.27 cm


Serie N 1 0.00011921 Serie N 2 0.00017638

Serie N 3 0.00025670


h (m) 0.002 0.005 0.011 V (m/s) 0.94105578 1.39236153 2.02641572

V2/2g (m) 0.04513690 0.09881094 0.20929463 K 0.04430964 0.05060168 0.05255749

KPROMEDIO =

CODO MEDIO

Dimetro = = 1.27 cm


Serie N 1 0.00011921 Serie N 2 0.00017638

Serie N 3 0.00025670


h (m) 0.002 0.002 0.005 V (m/s) 0.94105578 1.39236153 2.02641572

V2/2g (m) 0.04513690 0.09881094 0.20929463 K 0.04430964 0.02024067 0.02388977

KPROMEDIO = 0.029

CODO CORTO 90

Dimetro = = 1.27 cm


Serie N 1 0.00011921 Serie N 2 0.00017638

Serie N 3 0.00025670


h (m) 0.009 0.016 0.027 V (m/s) 0.94105578 1.39236153 2.02641572

V2/2g (m) 0.04513690 0.09881094 0.20929463 K 0.1993934 0.16192539 0.12900474

KPROMEDIO = 0.163

INGLETE

Dimetro = = 1.27 cm


Serie N 1 0.00011921 Serie N 2 0.00017638

Serie N 3 0.00025670


h (m) 0.001 0.011 0.025 V (m/s) 0.94105578 1.39236153 2.02641572

V2/2g (m) 0.04513690 0.09881094 0.20929463 K 0.02215482 0.11132371 0.11944884

KPROMEDIO = 0.084

VLVULA

Lecturas Manmetro

(m. c. a.)

Volumen (l)

Tiempo

(s)

Caudal (m3/s)

Velocidad (m2/s)

V2/2g K

5.1 m

612 2.75 0.00022255 1.75683217 0.15731189 32.4197 680 3.05 0.00022295 1.75998981 0.15787789 32.3034 598 2.69 0.00022230 1.75485864 0.15695866 32.4926

KPROMEDIO DE LA VLVULA = 32.4052

Tener en cuenta que:

1bar = 10.2 m de columna de agua. Haciendo la conversin 0.5 bar*10.2=5.1 m. c. a.

Seccin (m2) = 0.000127 m2.

GRFICOS A continuacin se presenten los grficos de los accesorios, para comprobar sus expresiones relacionadas debido a sus respectivos coeficientes prdidas de carga. PARA PENDIENTES CON Grafico 1: h = f (V); la pendiente en cualquier punto de la recta deber

comprobarse con:

2

Pendiente de la ecuacin de la recta = 0.01 Tabla de valores experimentados y calculados.

h V

(Velocidad m/s)

Promedio de

0.002 0.52280876 0.00354014 0.0055

0.004 0.77353418 0.00523790

0.008 1.12580113 0.00762324

Para el ensanchamiento la pendiente de la expresin h = f (V), no se comprueba lo anteriormente planteado.

0.01 0.0055

y = 0.01x - 0.0034

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 0.5 1 1.5

h (

m)

Velocidad m/s

ENSANCHAMIENTO

Series1

Grafico 2: h = f (V); la pendiente en cualquier punto de la recta deber

comprobarse con:

2


h V

(Velocidad m/s)

Promedio de

0.004 0.52280876 0.00764653 0.0118

0.009 0.77353418 0.01131361

0.018 1.12580113 0.01646582

Para el estrechamiento la pendiente de la expresin h = f (V), no se comprueba lo anteriormente planteado.

0.0234 0.0118

y = 0.0234x - 0.0085

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

h (

m)

Velocidad m/s

ESTRECHAMIENTO

Series1


comprobarse con:

2


h V

(Velocidad m/s)

Promedio de

0.002 0.94105578 0.00235774 0.0036

0.005 1.39236153 0.00348845 0.011 2.02641572 0.00507702

Para el codo largo la pendiente de la expresin h = f (V), no se

comprueba lo anteriormente planteado.

0.0084 0.0036

y = 0.0084x - 0.0062

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0 0.5 1 1.5 2 2.5

h (

m)

Velocidad m/s

CODO LARGO

Series1


comprobarse con:

2


h V

(Velocidad m/s)

Promedio de

0.002 0.94105578 0.00141398 0.0022

0.002 1.39236153 0.00209209 0.005 2.02641572 0.00304479

Para el codo medio la pendiente de la expresin h = f (V), se

aproximan, verificando la pendiente.

0.0029 0.0022

y = 0.0029x - 0.0012

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 0.5 1 1.5 2 2.5

h (

m)

Velocidad m/s

CODO MEDIO

Series1


comprobarse con:

2


h V

(Velocidad m/s)

Promedio de

0.009 0.94105578 0.00783931 0.0121

0.016 1.39236153 0.01159884 0.027 2.02641572 0.01688072

Para el codo corto de 90 la pendiente de la expresin h = f (V), se

aproximan, verificando la pendiente.

0.017 0.012

y = 0.0166x - 0.0068

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 0.5 1 1.5 2 2.5

h (

m)

Velocidad m/s

CODO CORTO 90

Series1


comprobarse con:

2


h V

(Velocidad m/s)

Promedio de

0.001 0.94105578 0.00404381 0.0062

0.011 1.39236153 0.00598312 0.025 2.02641572 0.00870771

Para el codo inglete la pendiente de la expresin h = f (V), no se

comprueba lo anteriormente planteado.

0.0221 0.0062

y = 0.0221x - 0.0198

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 0.5 1 1.5 2 2.5

h (

m)

Velocidad m/s

INGLETE

Series1

PARA PENDIENTES DE LA RECTA CON Grafico 1: h = f (V2); la pendiente en cualquier punto de la recta deber

comprobarse con:

2


h V2

Coeficiente de Perdida

calculado K

0.002 0.27332900 0.13285472 0.006

0.004 0.59835513 0.008 1.26742818

Para el ensanchamiento la pendiente de la expresin h = f (V2), se

comprueba correctamente con lo anteriormente planteado.

0.006 = 0.006

y = 0.006x + 0.0004

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

h (

m)

Velocidad m/s

ENSANCHAMIENTO

Series1

Grafico 2: h = f (V2); la pendiente en cualquier punto de la recta deber

comprobarse con:

2


h V2


calculado K

0.004 0.273329 0.28695951

0.014

0.009 0.59835513 0.018 1.26742818

Para el estrechamiento la pendiente de la expresin h = f (V2), se

comprueba correctamente con lo anteriormente planteado.

0.014 = 0.014

y = 0.014x + 0.0004

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

h (

m)

Velocidad m/s

ESTRECHAMIENTO

Series1


comprobarse con:

2


h V2


calculado K

0.002 0.88558597 0.04915627

0.0025

0.005 1.93867063 0.011 4.10636066

Para el codo largo la pendiente de la expresin h = f (V2), se

aproximan con la pendiente anteriormente planteada.

0.0028 0.0025

y = 0.0028x - 0.0004

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0 1 2 3 4 5

h (

m)

Velocidad m/s

CODO LARGO

Series1


comprobarse con:

2


h V2


calculado K

0.002 0.88558597 0.16344118

0.0015

0.002 1.93867063 0.005 4.10636066

Para el codo medio la pendiente de la expresin h = f (V2), se


0.0010 0.0015

y = 0.001x + 0.0007

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 1 2 3 4 5

h (

m)

Velocidad m/s

CODO MEDIO

Series1


comprobarse con:

2


h V2


calculado K

0.009 0.88558597 0.16344118

0.0083

0.016 1.93867063 0.027 4.10636066

Para el codo largo la pendiente de la expresin h = f (V2), no se


0.0055 0.0083

y = 0.0055x + 0.0046

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 1 2 3 4 5

h (

m)

Velocidad m/s

CODO CORTO 90

Series1


comprobarse con:

2


h V2


calculado K

0.001 0.88558597 0.08430912

0.0043

0.011 1.93867063 0.025 4.10636066

Para el codo largo la pendiente de la expresin h = f (V2), no se


0.0073 0.0043

y = 0.0073x - 0.0045

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 1 2 3 4 5

h (

m)

Velocidad m/s

INGLETE

Series1

CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES Con la experiencia realiza en el laboratorio de hidrulica obtenemos los siguientes coeficientes de prdida para cada accesorio: El valor del coeficiente de perdida de carga local para el

Ensanchamiento: K = 0.133.

El valor del coeficiente de perdida de carga local para el

Estrechamiento: K = 0.287.

El valor del coeficiente de perdida de carga local para el Codo Largo

calculado es K = 0.049.

El valor del coeficiente de perdida de carga local para el Codo Medio


El valor del coeficiente de perdida de carga local para el Codo Corto


El valor del coeficiente de perdida de carga local para el Inglete


El valor del coeficiente de perdida de carga local para la vlvula

calculada es K = 32.4052.

La determinacin de los coeficientes de prdidas de carga local, es de

suma importancia, ya que sabiendo la magnitud de las mismas, podremos

obtener un buen criterio para disear las redes de tuberas con diversos

accesorios, por ejemplo en una Red de Tuberas en una Casa.

De la experiencia de laboratorio realizada se pudo conocer cules son los

accesorios para tuberas que ocasionan mayores y menores diferencias

piezomtricas. Tambin se pudo establecer los coeficientes de perdida de

carga para cada accesorio, tambin observamos los cambios de velocidad

para hallar las perdidas y el caudal.

Se observa una gran discrepancia entre los datos obtenidos con el

experimento y los que estn dados por la teora. Esto podra estar

ocurriendo debido a las malas conexiones de las tuberas y los accesorios.

informe 3 de laboratiorio

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