reporte 1

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALAFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA CIVILLABORATORIO DE HIDRAULICA SEGUNDO SEMESTRE 2015ING. CARLOS SALVADOR GORDILLOGRUPO 3.1

PRACTICA 1Pérdida de Energía por Fricción en Tuberías

INTEGRANTES: CARNEEMERSSON EDER AUGUSTO CURUP AJVIX 2012-13228GERARDO ANDRES CABRERA AZURDIA 2011-22759JOSE LUIS PAZ ARDON 2011-15141

VINCEN LEONARDO PEÑA ABREGO 2011-13879JORGE HUMBERTO REYNA CORADO 2009-25312

INTRODUCCION

En este ensayo lo principal es el conocimiento básico de hidráulica con respecto a las Pérdidas de Energía por Fricción de Tuberías está práctica está ligada a teoremas de Bernoulli, Darcy Weisbach, Reynolds, entre otros. Estos como parte de conceptos básicos para la realización de los cálculos de manera teórica para conocer fórmulas previamente establecidas que por medio de la experimentación han establecido teorías y cálculos útiles para obtener las características importantes de un fluido y las tuberías.

Por medio de la observación, la experimentación e interacción con el movimiento real de fluido en tuberías, los estudiantes de ingeniería tenemos la oportunidad de reforzar nuestros conocimientos.

OBJETIVOS

Identificar la pérdida de energía por fricción en una tubería simple

Determinar el tipo de flujo en una tubería, según el criterio del número de Reynolds.

Explicar la variación de la pérdida de energía por fricción según el caudal.

Describir el comportamiento de la pérdida de energía según el tipo de flujo.

MARCO TEORICO

Pérdida de energía por fricción en tuberías con flujo a presión Cuando un líquido se desplaza por un tubería, la rugosidad del material combinada con la viscosidad del fluido producen una fuerza de fricción que se opone a su desplazamiento, causando una disminución de la energía de presión y reduciendo la energía total disponible de una sección a otra, a ésta disminución de la energía se le llama pérdida de energía o pérdida de carga por fricción, su valor depende del tipo de líquido, tipo de flujo, material, diámetro y longitud de la tubería, así como de la temperatura del fluido. La energía perdida representa la diferencia de las energías totales entre dos secciones del conducto, (ver figura 1), para su cálculo se emplean varias teorías, la más utilizada es la teoría de Darcy-Weisbach

h f=f LD

V 2

2gDonde:

h f=perdidade energia por fricción

f=factor de fricción f=∅ (Re ,ED )

L=longitud de la tuberiaV=velocidad del flujoD=diametrode la tuberiag=aceleraciónde la gravedad

El tipo de flujo se determina por medio del Número de Reynolds, el cual es un parámetro adimensional que relaciona las fuerzas de inercia con las fuerzas viscosas, se clasifica en: 1) laminar; si el movimiento es con velocidad lenta, ordenado, tranquilo uniforme; y 2) turbulento; si las partículas se desplazan en todas direcciones en forma desordenada, con velocidad alta, provocan colisiones entre si y contra las paredes del conducto.

Re=ρVDμ

=VDv Dónde: μ = viscosidad absoluta

v = viscosidad cinemática

Para su clasificación se adopta el siguiente criterio:

- Si Re ≤ 2000, el flujo es laminar

- Si 2000 < Re < 4000, es flujo está en transición

- Si Re ≥ 4000, el flujo es turbulento. Este factor de fricción, f, se evalúa dependiendo del régimen en el que se encuentre el fluido. Una vez se tenga certeza del régimen en el que se está, se aplica alguna de estas expresiones:

Para flujo laminar f=64Re

Para flujo turbulento f= 0.25

⌈ log ( ε /D3.7 + 5.74Re0.9 )⌉

2

Donde:ε /D = rugosidad relativa

Cabe resaltar que otro de los métodos indispensables para evaluar el factor de fricción es el Diagrama de Moody, el cual muestra la gráfica del factor de fricción versus el Re, con una serie de curvas paramétricas relacionadas con la rugosidad relativa (ε /D).

Figura 1: perdida de energía por fricción en una tubería

Teorema de Bernoulli: Al aplicar la ecuación de laEnergía entre las secciones 1 y 2, tenemos:

V 12

2g+P1γ

+Z1=V 22

2 g+P2γ

+Z1+hf 1−2

Despejamos h f 1−2 tenemos:

h f 1−2=[ V 12

2g+P1γ

+Z1]−[ V 22

2g+P2γ

+Z1]Es esencial que la ecuación general de la energía se escriba en la dirección del flujo.

DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

1. Verificar que una vez encendida la bomba y estando la válvula cerrada, los piezómetros 1, 2, 3 y 4 deben marcar la misma altura de columna de agua.

2. En este momento hay un caudal cero, leer y anotar las lecturas de los meniscos en cada piezómetro.

3. Proceder a abrir la válvula reguladora buscando una disminución de altura de agua en el piezómetro 4 de aproximadamente 50 mm, una vez estabilizado todas las alturas se deben de leer y anotar los valores para luego calcular la verdades diferencia entre los piezómetros 1 y 2 para la tubería 1 y luego los piezómetros 3 y 4 para la tubería 2, obteniendo la altura en columna de agua (hH2O), que corresponderá la pérdida de carga para cada una de ellas.

4. Aforar el caudal en forma volumétrica usando el depósito y cronómetro, anotando el tiempo de llenado correspondiente a cada caudal.

5. En el volumen capturado medir la temperatura del agua con el

termómetro y anotarla.

6. Se procede de esta forma hasta completar el cuadro de datos.

EQUIPO UTILIZADO

1. Aparato para el ensayo de pérdida de energía con dos tuberías de diferente diámetro.

2. Un depósito para el aforo con volumen conocido.

3. Cronómetro y termómetro.

DATOS DE LABORATORIO

Tubería de acrílico 1:

Longitud, (mm) = 470 , (mm) = 15Volumen, (L) = 3

No. Lectura Piezómetro 1 (h1, mm c.a)

Lectura Piezómetro 2 (h2, mm c.a)

Tiempo de Aforo, (Seg)

Temp.(T), (°C)

1 390.00 390.00 0 242 350.00 347.50 96.24 243 350.00 345.00 63.77 24

4 352.50 342.50 48.55 245 357.50 342.50 39.21 246 352.50 337.50 34.28 247 365.00 342.50 30.85 248 375.00 347.50 28.88 24

Tubería de acrílico 2:

Longitud, (mm) = 470 , (mm) = 10Volumen, (L) = 3

No. Lectura Piezómetro 1 (h1, mm c.a)

Lectura Piezómetro 2 (h2, mm c.a)

Tiempo de Aforo, (Seg)

Temp.(T), (°C)

1 390.00 350 0 242 320.00 300 96.24 243 292.50 250 63.77 244 262.50 200 48.55 245 232.50 150 39.21 246 202.50 100 34.28 247 172.50 50 30.85 248 145.00 0 28.88 24

MARCO PRÁCTICO

Perdida de Energía por Fricción:

h f=∆hH2O=h1−h2(mm)

a) Tubería de Acrílico 1

No. Energía de Presión 1 (h1, mm)

Energía de Presión 2 (h2, mm)

Perdida de Energía por Fricción (hf, mm)

1 390.00 390.00 0.00

2 350.00 347.50 2.503 350.00 345.00 5.004 352.50 342.50 10.005 357.50 342.50 15.006 352.50 337.50 15.007 365.00 342.50 22.508 375.00 347.50 27.50

b) Tubería de Acrílico 2

No. Energía de Presión 1 (h1, mm)

Energía de Presión 2 (h2, mm)

Perdida de Energía por Fricción (hf, mm)

1 390.00 350 0.002 320.00 300 20.003 292.50 250 42.504 262.50 200 62.505 232.50 150 82.506 202.50 100 102.507 172.50 50 122.508 145.00 0 145.00

Caudal de Agua:

Dato GeneralVolumen = 3 L 3000 cm3

Q=VolumenTiempo

( cm3

seg)

Tiempo de Aforo, (seg)

Q (L/seg) Q (cm3/seg)

0 0 096.24 0.03117 31.1763.77 0.04704 47.0448.55 0.06179 61.7939.21 0.07651 76.5134.28 0.08751 87.5130.85 0.09724 97.2428.88 0.10388 103.88

Velocidad del Flujo de Agua:

Datos Generales1 = 15 mm 1.5 cm

2= 10 mm 1.0 cm

A1= ------ 1.7671 cm2

A2= ------ 0.7854 cm2

V=QA ( cmseg )Donde:

A = área de tubo acrílico A=π D2

4(cm2)

Q = caudal en (cm3/seg)


Caudal (Q), (cm3/seg)

Velocidad de flujo (V), (cm/seg)

0.0000 0.000031.1721 17.639847.0441 26.621561.7920 34.9671

76.5111 43.296487.5146 49.523197.2447 55.0293103.8781 58.7830




0.0000 0.000031.1721 39.689547.0441 59.898461.7920 78.676076.5111 97.417087.5146 111.427097.2447 123.8158103.8781 132.2617

Factores de Fricción:

f=2gh f

LV 2


Perdida de Carga (hf),(cm)


Factor de Fricción

0.00 0.0000 0.00000.25 17.6398 0.05030.50 26.6215 0.04421.00 34.9671 0.0512

Datos Generales 1 = 15 mm 1.5 cm2= 10 mm 1.0 cmL1= 470 mm 47.0 cmL2= 470 mm 47.0 cmg = 981 cm/s2 981 cm/s2

1.50 43.2964 0.05011.50 49.5231 0.03832.25 55.0293 0.04652.75 58.7830 0.0498


Perdida de Carga (hf),(cm)


Factor de Fricción

0.00 0 02.00 39.6895 0.05304.25 59.8984 0.04946.25 78.6760 0.04218.25 97.4170 0.036310.25 111.4270 0.034512.25 123.8158 0.033414.50 132.2617 0.0346

Numero de Reynols (Re) y Clasificación del Tipo de Flujo

ℜ=V ∅υ



No.de Reynols, (Re)

Tipo de Flujo

0.0000 0

Datos Generales = 9.14x10-3 cm2/s1= 1.5 cm2= 1.0 cm

17.6398 2894.93 En Transición26.6215 4368.95 Turbulento34.9671 5738.58 Turbulento43.2964 7105.54 Turbulento49.5231 8127.43 Turbulento55.0293 9031.06 Turbulento58.7830 9647.10 Turbulento



No.de Reynols, (Re)

Tipo de Flujo

0.0000 39.6895 4342.40 Turbulento59.8984 6553.43 Turbulento78.6760 8607.87 Turbulento97.4170 10658.31 Turbulento111.4270 12191.14 Turbulento123.8158 13546.59 Turbulento132.2617 14470.65 Turbulento

Tabla de Resultados


Perdida de Carga (hf), (mm c.a)



No.de Reynols, (Re)

Tipo de Flujo Factor de Fricción

0.00 0.0000 0.0000 0.00 0.00002.50 31.1721 17.6398 2894.93 En Transición 0.05035.00 47.0441 26.6215 4368.95 Turbulento 0.044210.00 61.7920 34.9671 5738.58 Turbulento 0.051215.00 76.5111 43.2964 7105.54 Turbulento 0.050115.00 87.5146 49.5231 8127.43 Turbulento 0.038322.50 97.2447 55.0293 9031.06 Turbulento 0.046527.50 103.8781 58.7830 9647.10 Turbulento 0.0498

Comentario: Al inicio se presenta un flujo en transición dado que la bomba toma un cierto tiempo en estabilizar el caudal, cuando se estabiliza el factor de fricción aumenta y por consiguiente el tipo de flujo cambia a turbulento.


Perdida de Carga (hf), (mm c.a)



No.de Reynols, (Re)

Tipo de Flujo Factor de Fricción

0.00 0.0000 0.0000 0.00 20.00 31.1721 39.6895 4342.40 Turbulento 0.053042.50 47.0441 59.8984 6553.43 Turbulento 0.049462.50 61.7920 78.6760 8607.87 Turbulento 0.042182.50 76.5111 97.4170 10658.31 Turbulento 0.0363102.50 87.5146 111.4270 12191.14 Turbulento 0.0345122.50 97.2447 123.8158 13546.59 Turbulento 0.0334145.00 103.8781 132.2617 14470.65 Turbulento 0.0346

Comentario: Dado que la tubería tiene un diámetro ligeramente más pequeño que la tubería anterior, se observa que el factor de fricción aumenta mediante el caudal se estabiliza.

Gráficos

Grafico Perdida de Energía por Fricción vrs Caudal en Tubería de Acrílico (= 15 mm)

Grafico Perdida de Energía por Fricción vrs Caudal en Tubería de Acrílico (= 10 mm)

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.110

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Q(L/seg)

hf (cm)

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.110

2

4

6

8

10

12

14

16

Q (L/seg)

hf (cm)

Grafico Factor de Fricción vrs Velocidad en Tubería de Acrílico (= 15 mm)

Grafico Factor de Fricción vrs Velocidad en Tubería de Acrílico (= 10 mm)

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 650

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

V (cm/seg)

f

20 40 60 80 100 120 1400

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

V (cm/seg)

f

Comparación de Diámetro Tubería de Acrílico 1 (= 15 mm)

Comparación de Diámetro Tubería de Acrílico 1 (= 10 mm)

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 110000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Re

f

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Re

f

CONCLUSIONES

Por medio de los cálculos con la ayuda de fórmulas se identificó la perdida existente en una tubería simple.

Con el valor del número de Reynolds obtenido se determinó que el flujo en la tubería de diámetro menor (10mm) tuvo un comportamiento mayormente turbulento, así mismo la tubería de diámetro mayor (15mm) su comportamiento fue turbulento.

Tanto para la tubería de diámetro menor (10mm) como para la tubería de diámetro mayor (15mm) las variaciones de caudal fueron mínimas e iguales en valor para ambas, por ende las pérdidas de energía fueron constantes para ambas, aunque la tubería de diámetro menor (10mm) sufrió una pérdida relativamente mayor a la que sufrió la tubería con diámetro mayor (15mm) como era de esperarse.

Las gráficas realizadas en el ensayo no tiene un comportamiento visible respecto al diagrama de Moody, posiblemente los datos tomados en las columnas de agua pudieron haber tenido algún error.

FUENTES DE CONSULTA

http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Bernoulli

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/clasificaciondelflujo/clasificaciondelflujo.html

Mott L., Robert, Mecánica de Fluidos sexta edición, Pág. 615

Streeter, Victor y Wylie, Benjamín. Mecánica de Fluidos, quinta edición

ANEXOS:

Ecuación No.1

h f=∆hH2O=h1−h2(mm)

DONDE:

hf Pérdida de carga debida a la fricción. (m) h1 Energía de presión 1 h2 Energía de presión 2

Ecuación No.2

f=2gh f

LV 2

DONDE:

f Factor de fricción hf Pérdida de carga debida a la fricción. (m) Diámetro de la tubería atreves de la cual circula el fluido L Longitud de la tubería. (m) V Velocidad del fluido (m/s) g Aceleración de la gravedad (m/s2)

Ecuación No.3

ℜ=V ∅υ

DONDE:

ℜNumero de Reynolds Diámetro de la tubería atreves de la cual circula el fluido v Viscosidad cinemática

reporte 1

Documents