pérdidas de cargas en tuberías nº3

8/16/2019 Pérdidas de Cargas en Tuberías Nº3

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PRACTICA Nº 3 Pérdidas de cargas en Tuberías

Práctica # 3

PÉRDIDAS DE CARGAS ENTUBERÍAS

I. INTRODUCCIÓN.-

La realización de los laboratorios es la parte del curso de Hidráulica yMecánica de fluidos, que sirve para confirmar los conceptos teóricos

desarrollados en clase, con el comportamiento real de los fenómenos físicos;para luego aplicar con confianza los conceptos teóricos en el estudio, diseño yconstrucción de sistemas idráulicos y de mane!o de fluidos en diferentescampos de la "ngeniería#

$or la estructura misma como se a conformado este manual, esfactible la realización independiente de cada uno de los laboratorios, aunquese recomienda desarrollarlos con la secuencia en que se presentan, ya que sean realizado teniendo en cuenta la totalidad del desarrollo teórico del curso#

$ocos problemas en la Hidráulica an merecido tanta atención o ansido investigados, como el de la determinación de carga por fricción en lastuberías, las dificultades que se presentan en el estudio analítico de la cuestión

son tantas, que llevaron a los investigadores a realizar estudiose%perimentales con tubos de sección circular#

&on los e%perimentos de 'eynolds ()**+ se abre el camino científico alproblema, al reconocer la e%istencia del flu!o laminar y turbulento#

donde:

Ingeniería Civil

ν ν

ρ

µ

ν µ

ρ VDcomo

VDVD=⇒=== ReRe

( ) Tec.Sist. M.K.S.;Sist.enlíquidodelDensidad 33

m

UTM

m

Kgr m⇒ ρ

seg

mV enVelocidad ⇒

m D entuberíaDiámetro ⇒

( ) ( )

Seg m

Kgr

m

Seg N

m

Seg Kgr m F

×

××⇒ , ,enfluidodelViscosidad

µ

Seg

mencinemáticaViscosidad ⇒ν


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Sistema t!cnico

Sistema MKS

-eg.n el n.mero de 'eynolds, los flu!os se definen/

'e 0 1222 3lu!o laminar 'e 1222 4 5222 3lu!o de transición 'e 6 5222 3lu!o turbulento

II. OBJETIVOS

7btener para un tramo recto de tubería las ecuaciones que relacionen la

velocidad y gasto vs# perdida de carga 8eterminar los coeficientes de fricción f y & para las formulas de

9eisbac 8arcy y de 9illiams Hazen respectivamente#

III. FUNDAMENTO TEÓRICO.-

• Estudio Sobre Pérdidas de Carga.-

La realización de este estudio fue motivada por la convicción de los fabricantesde que los datos e%istentes desde ace d:cadas sobre rugosidad y p:rdidas decarga de los tubos de acero galvanizados, son en la actualidad ampliamenteme!orados como consecuencia de la progresiva implantación a lo largo deltiempo de m:todos, tecnología y sistemas de calidad sensiblementeoptimizados#

-e trata por tanto, de comprobar y medir la me!ora de las característicasidráulicas de los tubos de acero galvanizado, considerados en la


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=ásica para "nstalaciones "nteriores de -uministro de >gua como tubos deparedes rugosas, y realizar una valoración comparativa con los tubos de cobre,considerados en la misma como tubos de paredes lisas#Las conclusiones del análisis general del estudio e%perimental y deltratamiento de los datos obtenidos se resumen en/

- Disminución de as !érdidas de carga provocadas por la circulación deagua, que respecto a datos anteriores sobre tubos de acero galvanizados esdel orden del +2 ?#- Disminución de a rugosidad media de los tubos de acero galvanizado, enun @+ ? con relación a la de diseño#&omo consecuencia de todo ello se plantea la necesidad de modificar laAigente 7rden de B de 8iciembre de )B@C Dgua en Euberías de Hierro 8.ctil

La capacidad de conducción de una tubería dada está limitada por suresistencia interna al flu!o del agua# Fsta resistencia al flu!o genera unap:rdida de carga o caída en la presión conforme el agua se mueve a trav:s dela línea# La cantidad de p:rdida de carga depende de/ () la velocidad delagua, (1 la rugosidad de la superficie interior de la tubería, (+ el diámetrointerno, y (5 la longitud de la tubería# Fstos factores an sido relacionados enla ampliamente utilizada fórmula de Hazen49illiams para calcular las p:rdidas

de carga, los diámetros de tuberías, y las capacidades de conducción en redesde distribución# Fsta fórmula es como sigue/

' ( ).*+ % D.-3 S).&

Donde:

' ( flu/o de a0ua a tra1!s de la tubería en metros c2bicos or se0undo.

% ( factor que deende de la ru0osidad de la suerficie interior del tubo.

D ( diámetro del tubo en metros.

S ( endiente 4idráulica o !rdida de car0a en metros or metros de tubo.

Fl factor & es bien conocido como la D&D de Hazen49illiams o el coeficiente deflu!o D&D, y su valor debe ser estimado en cálculos de flu!o# &"$&7 ydisponibilidad de diámetros a.n mayores de tuberías, pueden !ustificar el usode valores mayores para D&D, particularmente en tuberías de diámetros mediosy grandes#

Ingeniería Civil


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• Pérdida de Energ"a en Tuber"as.- >l ablar de la ecuación de =ernoulli, se definió que/

de energías en > G $:rdidas de energías en =

&uando un fluido circula por una tubería, sufre p:rdidas en su energía pordiferentes causas; siendo las mas comunes las p:rdidas por/ )# 'ozamiento1# Fntrada+# -alida5# -.bito ensancamiento del tuboC# -.bita contracción de la tuberíaI# 7bstrucciones ( válvulas, medidores, etc#@# &ambio de dirección en la circulación#


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5. Fs proporcional a la longitud de la tubería1# Fs inversamente proporcional al diámetro de la tubería+# Fs directamente proporcional al cuadrado de la velocidad de circulación del fluido#

Fstas leyes se conocen como las leyes de &ezy, las cuales con la consideraciónde que las p:rdidas por fricción dependen tambi:n del material y del estado dela tubería, se engloban en una fórmula fundamental para el cálculo de lasp:rdidas por fricción en tuberías que fue propuesta por 8arcy49eisbac, usandoun coeficiente que depende de :stas dos .ltimas condiciones#

• #ÓR&U'( DE D(RC)- *EIS+(C, 8e =ernoulli tenemos que/

g

V ph Pérdidash

g

V ph B B B f

A A A

"#

++=−++γ γ

$ara r:gimen turbulento, el coeficiente de la fricción está en función de JK8(rugosidad relativa y del n.mero de 'eynolds

definido.$a, Reν

VD=

= D

K f Re,λ

8onde/ J Eamaño de la rugosidad efectiva de las paredes de la tubería en mm# 8 8iámetro de la tubería en mm#

Fste coeficiente de fricción λ , a sido ampliamente estudiado por diferentesautores como =lasius, $randt,


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La cual es una ecuación que responde a la forma general de

Aarios investigadores an encontrado valores diferentes para los coeficientes ye%ponentes en la fórmula general de 8arcy, dependiendo de las condiciones,estado y tipo de tubería# Hay mucas fórmulas empíricas debidas ainvestigadores como/ -cobey, -coder y 8aNson, Manning, Hazen49illiams,Jing, =arnes, Eutton, etc#; lo importante es que se esco!a la que sea másindicada para el caso en particular#Eambi:n la encontramos e%presada como/

Fl coeficiente & depende de la clase de tubería# Aalores de & para la fórmula de Hazen49illiams

TIPO DE TUBERÍA C

7sbesto cemento 5&)8at9n 53) 6 5&)

8adrillo ara alcantarillas 5))ierro colado6 ue1o, sin re1estir 6 Vie/o, sin re1estir 6 Re1estido de cemento6 Re1estido de esmalte bitumástico6 %ubierto de alquitrán

53)

&) < 5)53) < 5)5&) < 5)55 653

De 4ormi09n o re1estido de 4ormi09n6 %imbras de acero6 %imbras de madera6 %entrifu0ado

5&)5)53

%obre 53) 6 5&)Man0uera de incendio #recubierta de 4ule" 53ierro 0al1ani=ado 5)Vidrio 5&)>lomo 53) 6 5&)>lástico 5&) 6 5)7cero6 Re1estido de alquitrán de 4ulla6 ue1o, sin re1estir 6 Remac4ado

5& < 5)5&) < 5)

55)

?sta@o 53)Aarro 1idriado 5)) 6 5&)

Ingeniería Civil

&,)-3,

&,)-3,)

&,)-3,)

*++,)

&3,)

donde ,3,)

S DC Q

DS DC AV Q

L

hS S DC V

f

=

=×=

==

π

t m

f

f f f

Dh K Q

Dh K D

Dh K AV Qcomo y Dh K V

3

5

3

5

5

5

5

5

5 &

=

=×=×== π


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Tabla tomada del libro B7cueductos: Teoría $ Dise@oC de redd$ ernán %orc4o Romero $Eos! F0nacio Duque Serna. %entro General de Fn1esti0aciones. %olecci9n Hni1ersidad deMedellín.

• Pérdidas &enores o 'ocaes

Fn la parte de orificios se vio que al salir de un almacenamiento, los fileteslíquidos cambian de dirección al entrar al tubo, originándose una p:rdida deenergía# Fsta p:rdida de carga que es proporcional al cuadrado de la velocidad,será tanto menor cuanto menos dificultad tengan los filetes al entrar al tubo, locual dependerá del grado de abocinamiento de la entrada# &asos similaressuceden al pasar el agua de la tubería a un almacenamiento, en los cambios dedirección, en los ensancamientos y contracciones tanto bruscos comograduales# Fstas p:rdidas menores están dadas en general, por fórmulas quedependen de las cargas de velocidad y cuyas e%presiones generales son del tipoJ A1K1g o, J (A)1 G A11 K1g , cuyos coeficientes J son típicos para cada caso

particular y para lo cual se an construido tablas de acuerdo con e%periencias delaboratorio# > continuación se presenta una tabla con los casos típicos mas usuales, tomadadel libro OMecánica de los fluidos e idráulicaP de Qiles 'onald A#

E>=L> 5#5 Aalores de J para contracciones y ensancamientos

CONTRACCIÓN

BRUSCAENSANCAMIENTO !RADUA" PARA UN #N!U"O TOTA"

DE" CONO

d5Id Kc &J 5)J 5J )J 3)J )J -)J5,5,&5,-5,+,),3,)&,),)

),)+),5*),-),3&),3*),&5),&3),&),&-

),)),)3),)3),)&),)&),)&),)&),)&),)&

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),3*),3),-5),-),-+),*)),*5),*),*

Tabla tomada del libro BMecánica de los fluidos e 4idráulicaC de Ronald V. Giles. ?dicionesMcGR7L6F88

• radiente ,idruico.-

Fs una forma de visualizar gráficamente la energía de presión (LQH/ Línea deQradiente Hidráulico o la suma de todas las energías (LFE/ Línea de FnergíaEotal, que tiene el fluido en cada uno de los puntos de la tubería por dondefluye#

-i se considera un tubo orizontal de sección constante, figura 5#); la energíatotal que el líquido posee en un punto dado, es la suma de la energía deposición, la energía de velocidad y la energía de presión#

Ingeniería Civil


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-i en un punto > del tubo se ace un orificio y se inserta un tubo que llamamospiezómetro, el agua ascenderá asta un determinado nivel, cuya altura es !ustamente la medida de presión en ese punto# -i el piezómetro se inserta en unpunto =, el agua subirá allí asta un nivel menor que el alcanzado en >; esto

debido a las p:rdidas por fricción entre esos dos puntos . Lo mismosucedería entre =4&, etc# La unión de esos puntos conforman la LQH#

sucedería entre =4&, etc#La unión de esos puntos conforman la LQH#

$endiente de la línea gradiente idráulico# Fs la tangente de ángulo La línea de gradiente idráulico o piezom:trica muestra la elevación de laenergía de presión a lo largo de la tubería; permitiendo determinar o visualizar

la presión que se presenta en cada punto de la tubería# Fn una tubería uniformela energía

de la velocidad αVI0, es constante y la línea de energía total es paralela a lalínea de gradiente idráulico#

Rue se puede acer para subir la L#Q#H# y darle agua a la casa > de la figura5#1S )4 &onstruir un tanque elevado E, en lugar del enterrado#14 "nstalar una bomba y subir la línea de gradiente idráulico#+4 >umentar el diámetro de la tubería para reducir p:rdidas#

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• 'as Tuber"as Psticas en e Trans!orte de (gua.-

Fl mayor volumen del agua utilizada en agricultura es mane!ada en eltransporte de la misma de un lugar a otro, desde donde se almacena astadonde se distribuye# Fste se ace a trav:s de grandes infraestructuras que en

su mayoría son canalizaciones a cielo abierto realizadas en su momento conmateriales tradicionales#>unque ya en la actualidad se están diseñando e instalando este tipo decanalizaciones contando con tuberías plásticas como las de gran diámetro,todavía en mucos casos se recurre a los materiales tradiciones y tanto enestas como en las ya instaladas, es donde se producen las mayores p:rdidasde agua, tanto por roturas de canalizaciones (del orden del 52? en Fspaña,como por evaporación#La utilización de tuberías de polietileno ($F y de policloruro de vinilo, ($A&pueden satisfacer perfectamente los requisitos e%igidos y además tienen unaserie de venta!as que e%ponemos a continuación#

Fn cuanto a los requisitos que se piden a las canalizaciones de transporteestán/4 Qran capacidad de agua a transportar#4 'esistencia mecánica adecuada#4 'esistencia a la agresión del medio ambiente#4 Fvitar p:rdidas de agua por evaporación y transporte#Las tuberías plásticas de $F y $A& se fabrican asta diámetros )I22 mm y)#222 mm# respectivamente, en una gama amplia de presiones que posibilitana estas para transportar grandes caudales sin menoscabo de su resistenciamecánica#Las características estructurales de los nuevos polietilenos así como la .ltima

clasificación de la normativa internacional F< "-7 B2*2, definen a lospolietilenos como $F4+1, $F452, $F4I+, $F4*2 y $F4)22 siendo precisamenteestos .ltimos ($F4*2 y $F4)22 los que me!or satisfacen los requisitos depresión y mecánicos e%igidos abitualmente en los grandes diámetros para lascanalizaciones de transporte# 8e igual modo las tuberías de $A& en su gamaestán en el mismo orden de las e%igencias de presión y mecánicas yamencionadas#8ebido a su estabilidad química, las tuberías de $A& y $F no se ven afectadaspor terrenos agresivos, ni tampoco están su!etas a los efectos de la corrosión#-i bien mucas canalizaciones van enterradas o semienterradas, en aquellasque van a la intemperie las tuberías plásticas llevan aditivos para soportar la

acción de la radiación solar, sobre todo si son negras porque llevan la cantidadadecuada de negro de carbono bien disperso#8ebido a su estanqueidad y a su resistencia mecánica, la utilización de lastuberías de $A& y $F evita el que e%istan las cuantiosas p:rdidas de volumende agua, así como las de evaporación que se producen con las canalizacionesde otros materiales#Fntre las venta!as que tienen las tuberías de $A& y $F están/4 -u ligereza, debido a que pasan menos que los materiales tradicionales#4 -u facilidad de mane!o, debido a que su fabricación en tramos, generalmentede )1 mm# y su facilidad en soldarse ($F y acoplarse ($A& en la zona deinstalación facilitan su puesta en obra#4 -u adaptabilidad al terreno, permite ponerles encima de este o enterrarsecon poca obra civil o acer tramos mi%tos# >demás les permite absorber losmovimientos del terreno#

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4 -u falta de rugosidad ace descender al mínimo las p:rdidas de carga#>sí como ocurre con otros materiales, es de gran importancia la correctaelección del tipo de tubería plástica, $A& o $F, así como sus características, sudiámetro e%terior y la presión de traba!o# $or otro lado ay que considerartambi:n que el tubo est: fabricado en condiciones adecuadas para que tenga

una calidad apropiada lo que unido a una adecuada instalación del tendido dela tubería y un uso correcto de la misma, permite garantizar que unacanalización eca con tubería plástica tenga una e%pectativa de duraciónelevada que puede estimarse en más de 12 años# Los cálculos de la normativase e%trapolan a C2 años de uso#

IV. AP"ICACIÓN PR#CTICA.-

La aplicación de esta práctica es un estudio que se realiza antes de llevaracabo la instalación de tuberías para poder determinar que tipo de material seva a utilizar en las tuberías, además de saber que materiales en tuberías tienemas perdida por fricción#

V. CRO$UIS DIBUJOS O FOTOS.-

Sección de Tuberías del laboratorio de Hidraúlica

ed de T"#er$as de% La#oratorio de &idra'%ica

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PRI&ER( O+SER/(CIÓN

Presión manométrica 35.3 – 28.8

E) 1*#1@E1 C@#I*E+ )T1I#B+E5 )TCC#B+EC 1T1C#B+

SEUND( O+SER/(CIÓN

Presión manométrica 37 – 27

E) 11#@@E1 5I#+@E+ )T2B#5BE5 )T++#2CEC )TCI#C1

TERCER( O+SER/(CIÓN

Presión manométrica 39.5 - 25

E) )*#I@E1 +@#@@E+ CI#CCE5 )T)C#*IEC )T+C#21

CU(RT( O+SER/(CIÓN

Presión manométrica 23 – 41.5

E) )C#@@E1 ++#2IE+ 5B#5IE5 )T2I#5BEC )T1+#1)

Ingeniería Civil


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2UINT( O+SER/(CIÓN

Presión manométrica 42.2 - 22

E) )C#1+E1 +)#@@E+ 5@#*2E5 )T25#2*EC )T12#5B

Ingeniería Civil

pérdidas de cargas en tuberías nº3

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