MANOMETROS, ACCESORIOS Y NÚMERO DE REYNOLDS

1.- OBJETIVOS:

Reconocer e identificar los principales tipos de manómetros. Reconocer e identificar los principales accesorios utilizados en sistemas de tuberías. Demostrar y medir el cambio en las leyes de la resistencia hidráulica (i) desde el flujo laminar al flujo turbulento. Establecer el valor crítico del Número de Reynolds. Medir el gradiente hidraulico (i) en la región laminar para determinar el coeficiente de viscosidad. Medir el gradiente hidraulico (i) en la región turbulenta para determinar el factor de fricción.

2.- FUNDAMENTO TEORICO:

A.-MANOMETRO: La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. Para diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon, llamado así en honor al inventor francés Eugène Bourdon. Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho. Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar censores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.

Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.

Las presiones bajas en un gas (hasta unos 10-6 mm de mercurio de presión absoluta) pueden medirse con el llamado dispositivo de McLeod, que toma un volumen conocido del gas cuya presión se desea medir, lo comprime a temperatura constante hasta un volumen mucho menor y mide su presión directamente con un manómetro. La presión desconocida puede calcularse a partir de la ley de Boyle-Mariotte. Para presiones aún más bajas se emplean distintos métodos basados en la radiación, la ionización o los efectos moleculares.

Entre los manómetros mas comunes se encuentran los siguientes: Piezómetros Manómetros en “U”de Hg. Manómetros de inclinación Manómetros Bourdon “C” Manómetros en forma de espiral Manómetros de fuellesB.- ACCESORIOS:

TUBERIAS: En tecnología, tubo empleado para transportar de un punto a otro líquidos, sólidos fragmentados o mezclas de líquidos y sólidos. Las tuberías de agua, vapor de agua y gas son habituales en los hogares; para el suministro municipal de agua o el transporte de aguas residuales se emplean grandes redes de tuberías. Los sistemas de tuberías pueden cubrir distancias enormes, como el oleoducto de Alaska (EEUU), de 1.300 kilómetros, que transporta petróleo desde el océano Glacial Ártico hasta el golfo de Alaska.

ACCESORIOS DE CONECCION: Entre los principales accesorios de conexión tenemos los uniones (unión simple, union universal, nicles, bridas), los codos (codo estándar, codo en “L”, codo con radio de curvatura), accesorios de bifurcación (tees, yees, cruz o cruceta), los tapones (tapón macho, tapón hembra) y las expansiones y contracciones (bushing).

VALVULAS: Dispositivo mecánico empleado para controlar el flujo de un gas o un líquido, o —en el caso de una válvula de retención— para hacer que el flujo sólo se produzca en un sentido. El tamaño de estos mecanismos va desde las pequeñas válvulas de un neumático de coche o de bicicleta hasta las válvulas empleadas en esclusas y presas, que pueden tener diámetros superiores a los 5 metros. Las válvulas de baja presión suelen ser de latón, hierro fundido o plástico, mientras que las válvulas de alta presión son de acero fundido o forjado. En el caso de que el fluido sea corrosivo puede ser necesario emplear aleaciones, como acero inoxidable. Las válvulas pueden accionarse de forma manual, a través de un servomecanismo o mediante el flujo del propio fluido controlado.Entre las principales válvulas tenemos:

- Válvula de globo- Válvula de compuerta- Válvula de bola- Válvula check- Válvula de aguja

NUMERO DE REYNOLDS: número adimensional que se utiliza en la mecánica de fluidos para estudiar el movimiento de un fluido en el interior de una tubería, o alrededor de un obstáculo sólido. Se representa por R.

El número de Reynolds puede ser calculado para cada conducción recorrida por un determinado fluido y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido. Para un mismo valor de este número el flujo posee idénticas características cualquiera que sea la tubería o el fluido que circule por ella. Si R es menor de 2.100 el flujo a través de la tubería es siempre laminar; cuando los valores son superiores a 2.100 el flujo es turbulento.

De acuerdo con la expresión del número de Reynolds, cuanto más elevada sea la viscosidad de un fluido mayor podrá ser el diámetro de la tubería sin que el flujo deje de ser laminar, puesto que las densidades de los líquidos son casi todas del mismo orden de magnitud. Por este motivo los oleoductos, en régimen laminar, pueden tener secciones superiores a las conducciones de agua, ya que la viscosidad de los fluidos que circulan por aquéllos es mayor que la del agua.

FLUJO LAMINAR:Cuando un líquido fluye en forma continua por un circuito hidrodinámico constituido por conductores de sección circular (tubos) de paredes rígidas, lo hace (dentro de ciertos límites de velocidad) con un régimen de flujo llamado laminar, consistente en el desplazamiento de capas del mismo con velocidades diferentes determinando un frente de avance convexo que semeja un proyectil.

FLUJO TURBULENTO: El flujo turbulento es el que se produce cuando se desorganiza el flujo laminar, se debe a una modificación en la relación entre la velocidad, el calibre, la densidad y la viscosidad del líquido. En el flujo turbulento la desorganización del flujo determina la rotura del frente de avance dando como consecuencia que las partículas del líquido siguen diversas direcciones y sentidos.

Durante su desarrollo se produce un significativo aumento de las resistencias en el circuito.

Representación del flujo turbulento

3.- CUADRO DE DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO:

CUADRO Nº 1:

Nº Volumen(ml)

Tiempo(seg)

h1

(mmH2O)h2

(mmH2O)h

(m)Longitud

(mm)Temperatura

(ºC)1 20.50 30.1567 371 366 0.005 580 15.52 37.13 19.9800 394 386 0.008 580 15.53 50.20 9.8300 443 417 0.026 580 15.54 60.00 9.9200 476 444 0.032 580 15.55 385.33 20.0300 780 520 0.260 580 15.56 270.00 9.8900 1080 610 0.470 580 15.5

G = 9.81 m/s2

4.- CALCULOS:

- HALLANDO EL GRADIENTE HIDRAULICO:

- CALCULO DEL CAUDAL (Q): Se determina de acuerdo a la siguiente ecuación:

Q = VOLUMEN / TIEMPO

Q1= m3/s

Q2= m3/s

Q3= m3/s

Q4= m3/s

Q5= m3/s

Q6= m3/s

- HALLANDO EL AREA DE LA TUBERIA:

A = 3.1416*(4.6*10-3)2 / 4 = 1.6618*10-5 m2.

- HALLANDO LA DENSIDAD Y LA VISCOSIDAD DEL AGUA A 15.5ºC (TABLAS):

DENSIDAD DEL AGUA A 15.5ºC: 998.905 Kg/mVISCOSIDAD DEL AGUA A 15.5ºC: 1.12605*10-3 Kg/m*s

- HALLANDO LA VELOCIDAD DEL FLUJO: La velocidad del flujo se determina según la siguiente ecuación:

m/s

m/s

m/s

m/s

m/s

m/s

- HALLANDO EL NUMERO DE REYNOLDS:

…………………… (FLUJO

LAMINAR)

…………………... (FLUJO

LAMINAR)

………………….. (FLUJO

LAMINAR)

………………….. (FLUJO

LAMINAR)

…………......(FLUJO

TURBULENTO)

…………….. (FLUJO

TURBULENTO)

- HALLANDO LA VELOCIDAD CRITICA:

- HALLANDO EL GRADIENTE HIDRAULICO PARA EL FLUJO LAMINAR:

- HALLANDO LA VISCOSIDAD PARA EL FLUJO LAMINAR:

- HALLANDO EL FACTOR DE FRICCION:

- HALLANDO EL FACTOR DE FRICCION PARA EL FLUJO TURBULENTO:

5.- CONCLUSIÓN:

- Del experimento Nº1 se pudo observar como es que el flujo laminar se desplaza, la tinta que se adicionó mostró una línea que casi no sufría cambios, más por el contrario mantenía un orden lineal, esto nos demostró lo que en la teoría se había visto que las moléculas en un flujo laminar viajan de manera ordena.

Por el contrario en el flujo turbulento se aprecio que la tinta formaba una especie de remolino y todo el agua se coloreaba, lo que demostró que las moléculas no seguían un orden adecuado.

- En el experimento Nº2, se demostró en forma numérica, el régimen de un fluido (laminar y turbulento), además de comprobar que el gradiente hidráulico proporciona información acerca de esto mismo, no se ha podido obtener datos en régimen transitorio por la falta de calculo en el caudal.

También se puedo apreciar la variación (diferencia de altura) cuando el caudal o velocidad del fluido aumenta o disminuye, esto se comprobó en forma numérica y observando los datos que nos proporcionaba.

También que en número de Reynolds proporciona información sobre el régimen del fluido, en el cual influyen, la viscosidad del fluido, también la densidad y de manera más fundamental el diámetro de la tubería y el caudal del fluido.

6.- RECOMENDACIONES:

- Se recomienda que durante el experimento no se permita a personas que no estén incluidas en el grupo porque pueden ocasionar algún daño a los equipos.

- Para comenzar a tomar los respectivos datos se debe tener en cuenta que no debe haber aire en los tubos, de modo contrario se debe sacar el aire con pequeños golpes a la manguera.

7.- BIBLIOGRAFÍA:

CHRISTIE GEANKOPLIS :”Procesos de transporte y Operaciones Unitarias”

Edit. Continental S.A. México. 1999

R. BYRON BIRD :”Fenómenos de Transporte”

Edit. Reverte. S.A. México 1995

ENCICLOPEDIA MULTIMEDIA : “ Encartas 2004”

8.- CUESTIONARIO:

¿Que sugerencias plantearía para mejorar el experimento?

- Realizar el experimento cuando el suministro de agua sea el adecuado, es decir que no varia el caudal de agua proveniente de la válvula principal.

- Mejor los piezómetros, es decir que no sean mangueras que fácilmente se deforman.

- La manguera que suministra el agua no debe ser tan larga, ya que tienen a variar el caudal, y también al ser muy larga hace que se dificulte su manejo o que se sufra algún tipo de accidente.

Explique por que el factor de fricción disminuye de su valor a medida que se incrementa la velocidad del fluido.

El factor de fricción disminuye cuando incrementa la velocidad debido a que las moléculas tienen a desplazarse más rápido y formar una pequeña capa delgadísima en la superficie entre el tubo y el fluido lo que hace que no exista una fricción considerable.