GUIA DE PRACTICA Nº 3 PERDIDAS DE CARGA EN TUBERIAS

GUIA DE PRACTICA Nº 3
PERDIDAS DE CARGA EN TUBERIAS
FLUJO INTERNO
1. OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL :
Evaluar las perdidas secundarias en un fluido en flujo interno a través de un
conjunto de tuberías y accesorios en función de la caída de presión.
OBJETIVOS ESPECIFICOS :
 Determinar las perdidas locales o secundarias dentro de codos de 90º,
contracciones , ensanchamientos e inglete dentro de un banco de
tuberías.
 Calcular el margen de error entre la constante del accesorio calculado
experimentalmente y el teórico.
 Conocer la simbología de redes de flujo interno.
2. FUNDAMENTO TEORICO :
Los fluidos en movimiento o flujo interno forman parte básica para la
producción de servicios dentro de las actividades industriales , residenciales y
comerciales. Al Ingeniero en Energía le compete el tratamiento adecuado de la
conducción de flujos bajo conceptos de optimización económica, técnica,
ambiental y de estética.
La aplicación de la Ecuación de Bernoulli para fluidos reales , entre 2
secciones de un mismo tramo de tubería es :
Donde :
Donde :
hfp = es la sumatoria de perdidas primarias o longitudinales.
hfs = Perdidas secundarias o, locales por accesorios.
Al hablar de perdidas en tuberías, lleva a estudiar los flujos internos que sean
completamente limitados por superficies sólidas con un grado de rugosidad
según el material del cual están fabricadas.
Este flujo es muy importante de analizar ya que permitirá diseñar las redes de
tuberías y sus accesorios más óptimos.
Las pérdidas de energía que sufre una corriente cuando circula a través de un
circuito hidráulico se deben fundamentalmente a :
 Variaciones de energía potencial del fluido.
 Variaciones de energía cinética.
 Rozamiento o fricción.
PERDIDAS PRIMARIAS :
Llamadas perdidas longitudinales o pérdidas por fricción , son ocasionadas por
la fricción del fluido sobre las paredes del ducto y se manifiestan con una caída
de presión.
Empíricamente se evalúa con la formula de DARCY - WEISBACH:
Donde :
L = longitud de la tubería.
D = Diámetro de la tubería.
V = velocidad media del flujo.
f = factor de fricción de la tubería.
De donde el factor de fricción de la tubería depende del Número de Reynolds (
Re ) y de la rugosidad relativa ( ε / D ) . Para esto se hace uso del Diagrama de
Moody. Básicamente las Pérdidas primarias son directamente proporcionales a
la longitud de la tubería.
PERDIDAS SECUNDARIAS :
También conocidas como perdidas locales o puntuales , las cuales son
originadas por una infinidad de accesorios que se ubican dentro de un sistema
de tuberías , como por ejemplo :
Válvulas.
Codos.
Niples.
Reducciones.
Ensanchamientos.
Uniones universales.
Etc.
La expresión para evaluar las perdidas secundarias ( en metros de columna del
fluido) es la siguiente :
Donde K es la constante para cada accesorio y depende del tipo de accesorio ,
material y diámetro.
Luego la longitud equivalente será :
La longitud equivalente se puede hallar en manuales y libros.
En el equipo FME-05 de pérdidas de carga local estudia las pérdidas de
energía cinética de un fluido que circula por una tubería. Estas se deben
principalmente a variaciones bruscas de velocidad causadas por :
 Cambios bruscos de sección.
 Perturbación del flujo normal de la corriente , debido a cambios de
dirección provocadas por la existencia de un codo , curva , etc.
 Rozamiento o fricción.
Las pérdidas de carga que sufre un fluido al atravesar todos los elementos
expresada en metros del fluido , puede calcularse con la siguiente expresión :
Donde :
K = coeficiente de pérdidas de carga.
V= velocidad del fluido.
∆h = diferencia de altura manométrica.
g= gravedad.
ENSANCHAMIENTO SUBITO :
Al fluir un fluido de un conducto de menor a uno mayor a través de una
dilatación súbita, su velocidad disminuye abruptamente, ocasionando una
turbulencia que genera una pérdida de energía. La cantidad de turbulencia, y
por consiguiente, la cantidad de pérdida de energía, depende del cociente de los
tamaños de los dos conductos.
La perdida menor se calcula de la ecuación:
Donde v1 es la velocidad de flujo promedio en el conducto menor que está
delante de la dilatación. Al hacer ciertas suposiciones de simplificación
respecto del carácter de la corriente de flujo al expandirse a través de una
dilatación súbita, es posible predecir analíticamente el valor de k a partir de la
siguiente ecuación:
=
FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México:
Prentice Hall
ENSANCHAMIENTO GRADUAL :
Si la transición de un conducto menor a uno mayor puede hacerse menos
abrupta que la dilatación súbita de bordes cuadrados, la perdida de energía se
reduce. Esto normalmente se hace colocando una sección cónica entre los dos
conductos, como se muestra en la siguiente figura. Las paredes en pendiente
del cono tienden a guiar el fluido la desaceleración y expansión de la corriente
de flujo.
FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México:
Prentice Hall
La pérdida de energía para una dilatación gradual se calcula a partir de:
Donde v1 es la velocidad del conducto menor que está delante de la
dilatación. La magnitud de K depende tanto de la proporción de diámetro
D2 / D1 como del ángulo de cono, θ y D2 / D1.
Ver en el Texto : King, H.W y E.F. Brater, 1963 Handbook of Hydraulics,
5º ed. Nueva York: McGraw-Hill la TABLA DE COEFICIENTE DE
RESISTENCIA
CONTRACCION SUBITA :
La pérdida de energía debido a una contracción súbita, como la esbozada
en la figura se calcula a partir de:
Donde v2 es la velocidad en la corriente hacia abajo del conducto menor a
partir de la contracción. El coeficiente de resistencia K depende de la
proporción de los tamaños de los dos conductos y de la velocidad de flujo,
como se muestra en la figura.
FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México:
Prentice Hall
CONTRACCION GRADUAL :
La pérdida de energía en una contracción puede disminuirse
sustancialmente haciendo la contracción más gradual. La figura muestra
una contracción de este tipo, formada mediante una sección cónica entre
los dos diámetros con cambios abruptos en las junturas. El ángulo Ѳ se
denomina ángulo de cono.
FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México:
Prentice Hall
COEFICIENTE DE RESISTENCIA PARA JUNTAS Y VALVULAS :
Se dispone de muchos tipos diferentes de válvulas y juntura de varios
fabricantes para especificaciones e instalación en sistemas de flujo de fluido.
Las válvulas se utilizan para controlar la cantidad de flujo y pueden ser
válvulas de globo, de ángulo, de mariposa, otros varios tipos de válvula de
verificación y mucha más.
El método para determinar el coeficiente de resistencia k es diferente. El valor
de k se reporta en la forma:
El valor de
, llamado la proporción de longitud equivalente, se reporta en
la siguiente tabla y se considera que es una constante para un tipo dado de
válvula o juntura. El valor de mismo se denomina la longitud equivalente y
es la longitud del conducto recto del mismo diámetro nominal como la válvula
que tendría la misma resistencia que esta. El termino D es el diámetro interno
real del conducto.
El término es el factor de fricción en el conducto al cual está conectada la
válvula o juntura, tomado en la zona de turbulencia completa.
Tipo
Válvula de globo – complemente abierta
Válvula de ángulo – complemente abierta
Válvula de compuerta – complemente abierta
- ¾ abierta
- ½ abierta
- ¼ abierta
Válvula de verificación – tipo giratorio
Válvula de verificación – tipo bola
Válvula de mariposa – completamente abierta
Codo estándar 90º
Codo de radio de largo de 90º
Codo de calle de 90º
Codo estándar de 45º
Codo de calle de 45º
Codo de devolución cerrada
Te estándar – con flujo a través de un tramo
Te estándar – con flujo a través de una rama
Longitud
equivalente
En diámetros
De conducto ,
Lc/D
340
150
8
35
160
900
100
150
45
30
20
50
16
26
50
20
60
Resistencia en Válvulas y junturas expresadas como longitud equivalente en
diámetros de conducto, Lc/D
Fuente: válvulas de sifón, Joliet, IL.
Los valores de varían con el tamaño del conducto y de la válvula, ocasionando
que el valor del coeficiente de resistencia K también varie.la siguiente tabla
enumera los valores de
para tamaños estándar de conductos de acero
comercial, nuevo y limpio.
Tamaño de
conducto
Nominal (pulg)
½
¾
1
1¼
1½
2
2 ½, 3
Factor de
fricción,
0.027
0.025
0.023
0.022
0.021
0.019
0.018
Tamaño de
conducto
Nominal (pulg)
4
5
6
8-10
12-16
18-24
Factor de
fricción,
0.017
0.016
0.015
0.014
0.013
0.012
Factor de Fricción en Zona de Turbulencia completa para conductos de acero
comercial nuevo y limpio.
FUENTE: Robert L.Mott.1996.Mecanica de Fluidos Aplicada. 4 ed. México:
Prentice Hall
3. EQUIPOS Y MATERIALES:




Banco Hidráulico.
Equipo demostrativo para perdidas de carga FME-05.
Cronometro digital.
Extensión.
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL :
LLENADO DE TUBOS MANOMETRICOS :
 Cierre de las válvulas de suministro de agua del banco hidráulico y de
descarga del equipo demostrativo.
 Encienda el motor de la bomba de agua del banco hidráulico y en forma
progresiva abra las válvulas de suministro de agua del banco y la de
descarga del equipo demostrativo para pérdidas secundarias , inundando
todos los conductos del equipo , con la finalidad de eliminar las burbujas
de aire.
 Luego de que el sistema se encuentra a presión de 0.5 Bar y libre de
burbujas de aire , ir cerrando rápidamente las dos válvulas y apagar el
motor de la bomba.
 Abrir la válvula de venteo y bombear aire hasta alcanzar los doce niveles
de vidrio hasta una altura de 100 mm. De columna de agua . Ayudarse
abriendo ligeramente la válvula de descarga. Cerrar hasta alcanzar una
presión en el sistema de 0 Bar.
PERDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS :
 Cerrar las válvulas ,dejando solo abiertas la válvula de entrada y la de
salida del codo largo hacia las alturas piezometricas.
 Encender el motor de la bomba de agua , fijando un determinado flujo
para regular el caudal , y procurando la existencia de una diferencia
entre las 2 alturas piezometricas.
 Repetir el mismo paso con otro caudal ( 4 veces).
 Realizar lo mismo con cada uno de los accesorios.
 Secar y limpiar el Equipo de Pruebas.
5. DATOS A RECOLECTAR :
Para cada accesorio :
 Codo Largo , codo medio , ensanchamiento, contracción, codo corto e
inglete elaborar los siguientes cuadros :
Volumen
5 litros
5 litros
5 litros
5 litros
Tiempo (sg)
hi (mmca)
hs(mmca)
6. CUESTIONARIO :
 Para cada uno de los accesorios elaborar y llenar el siguiente cuadro :
Q(m3/sg)
V2(m/sg)
∆h
K
PROMEDIO




Determinar el margen de error con el valor teórico.
Graficar ∆h vs V2
Interpretar cada grafico.
Investigar acerca que entidades se encargan de Normar los Sistemas
Hidráulicas.
Describir la Nomenclatura Técnica para distintos accesorios hidráulicos.
Qué diferencia existe entre hidráulica y la óleo hidráulica.? . Se aplica
las mismas ecuaciones teóricas en los diseños óleo hidráulicos.
Partiendo de la ecuación de la energía y de Bernoulli , hallar la ecuación
de pérdidas secundarias por una tubería horizontal.