Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios Práctica 1 Determinación experimental de la caída de presión en accesorios 1. Objetivo Calcular la pérdida de presión debido a los instrumentos que tiene la tubería. Comparar las diferentes caídas de presión debidas a los diferentes instrumentos y accesorios instalados en las tuberías. 2. Introducción Las pérdidas de carga son las pérdidas de presión que sufren los fluidos en su circulación a través de las tuberías y conductos. Son debidas a los rozamientos de los fluidos con las paredes de las tuberías o conductos y a los rozamientos entre las distintas capas de fluido. Se distinguen dos tipos de pérdidas de carga: Pérdidas de carga lineales: son las que se producen a lo largo de toda la tubería o conducto. Pérdidas de carga singulares: son las que se producen en los equipos y accesorios. 3. Marco teórico Los fluidos pueden ser comprimibles o gases (aire, gases combustibles, humos, etc.), e incompresibles o líquidos (agua, aceites, gasóleo, etc.); en este tema se estudia únicamente el caso del agua, aunque las expresiones teóricas que se analizan son válidas para todos los fluidos. Las pérdidas de carga dependen de las características del fluido, de la tubería y del tipo de derrame que se establezca. A. El fluido está caracterizado por la: Densidad ( ) Viscosidad (µ) 1 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios B. La tubería está caracterizado por: Sección o diámetro interior (d) Rugosidad interior (k) C. El derrame del fluido, a su vez, está caracterizado por: Velocidad (v) Numero de Reynolds (re) Densidad y peso específico La densidad es la masa de fluido contenida en la unidad de volumen. En los líquidos depende de la temperatura, siendo menor cuanta más alta sea la misma, si bien estas variaciones son pequeñas. En los gases las variaciones de densidad son más importantes que en los líquidos y dependen de la temperatura y de la presión. El peso específico es el peso de fluido contenido en la unidad de volumen; se obtiene multiplicando la densidad por la aceleración de la gravedad como lo indica la ecuación 1. (1) = () (𝑔) Viscosidad La viscosidad es una característica de los fluidos; indica la resistencia que oponen a desplazarse paralelamente a sí mismos. La ley de Newton expresa la fuerza que debe vencerse para desplazar un elemento plano de superficie S, paralelamente a sí mismo, con una velocidad uniforme v. Ley de Newton (2) 𝑑𝑣 𝐹 = µ· 𝑆 · 𝑑𝑦 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: µ = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑜 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑆 = 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 La Viscosidad Absoluta decrece con los aumentos de temperatura. El cociente entre la Viscosidad Absoluta y la densidad es conocido como Viscosidad Cinemática ( ) la cual se calcula con la ecuación 3. (3) µ = La Viscosidad cinemática también depende de la temperatura; como las variaciones de la Viscosidad Absoluta con la temperatura son mayores que las de la Densidad, la Viscosidad Cinemática decrece con los aumentos de temperatura. Rugosidad 2 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios Es una característica propia de cada tubería; se sabe desde hace mucho tiempo que, para el flujo turbulento y para un determinado número de Reynolds, una tubería rugosa, da un factor de fricción mayor que en una tubería lisa. Por consiguiente si se pulimenta una tubería rugosa, el factor de fricción disminuye y llega un momento en que si se sigue pulimentándola, no se reduce más el factor de fricción para un determinado número de Reynolds. Existen dos tipos de rugosidades: Absoluta (k): Es la altura media de las asperezas interiores de la tubería. Relativa (k/d): Es la relación entre la rugosidad absoluta y el diámetro de la tubería. Regímenes de circulación de los fluidos Se distinguen dos tipos fundamentales de derrame de fluidos: Régimen laminar Régimen turbulento El número de Reynolds se calcula con la ecuación 4: 𝑅𝑒 = 𝜌. 𝑉. 𝐷 𝜇 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝐾𝑔 𝑚3 𝑚 𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑟𝑟𝑎𝑚𝑒 𝑠 𝐷 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎, 𝑚 𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑, Pa s 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑, Los parámetros son: 𝑅𝑒 ≤ 2 100 𝑅é𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝐿𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 2 100 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 10 000 𝑅é𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑅𝑒 ≥ 10 000 𝑅é𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 4. Correlación con temas y subtemas del programa de estudios En el tema Flujo de Fluidos, de la materia de Operaciones Unitarias I, con los subtemas Líquidos Newtonianos y no newtonianos así como en Principios de los Medidores de Flujo, y los principios de los mecanismos y balances de Cantidad de Movimiento. Aplicación dentro de la industria Algunos gases como el acetileno y el butano se utilizan como combustibles en diversas operaciones, tales como soldadura, sistemas de calefacción de casas, hornos industriales, etc. También pueden ser materia prima para producir otras sustancias intermedias, a partir de las 3 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios cuales se obtienen los plásticos, pinturas y aerosoles. El aire es utilizado en los procesos industriales para producir aceros y metales entre otros usos. 5. Material y Equipo Equipo Bomba centrífuga Circuito hidráulico Manguera Llave con suministro de agua. Tanque de almacenamiento Sustancias Agua Figura 4.1Equipo de dinámica de fluidos 6. Procedimiento 1. 2. 3. 4. 5. Encender el equipo y regular con el rotámetro el flujo que se desea alimentar. Seleccionar el accesorio o instrumento donde se quiera medir la caída de presión. Abrir las válvulas correspondientes. Anotar la lectura de la caída de la presión mostrada en el indicador. Una vez anotada cada caída de presión para cada instrumento o accesorio, cambiar el flujo y repetir el proceso. 4 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios 7. Reporte del alumno A. Tubo Venturi Tubo Venturi Presión (Bar) 0.08 0.152 0.253 0.375 0.5 Tabla 6.1 Flujo y presión del tubo Venturi 0.5 Presión Bar Flujo (L/h) 2000 3000 4000 5000 6000 0.6 0.4 0.3 Presión Bar 0.2 0.1 0 0 2000 4000 6000 8000 Flujo L/h Figura 6.1 Flujo y presión del tubo Venturi. B. Placa de orificio Flujo (L/h) 2000 3000 4000 Presión (Bar) 0.052 0.102 0.167 Tabla 6.2 Flujo y presión de la placa de orificio Presión Bar Placa de Orificio 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 Presión Bar 0 1000 2000 3000 4000 5000 Flujo L/h Figura 6.2 Flujo y presión de la placa de orificio 1 C. Llave de 8 " Llave de 1/8" 0.08 0.07 Flujo (L/h) 2000 3000 3500 Presión (Bar) 0.039 0.06 0.079 Presión Bar 0.06 0.05 0.04 0.03 Presión Bar 0.02 0.01 0 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 1 Tabla 6.3 Flujo y presión de la llave de 8 " 1 8 Figura 6.3 Flujo y presión de la llave de " 5 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios D. Llave de 1” Figura 6.4 Flujo y presión de la llave de 1” Llave de 1" Tabla 6.4 Flujo y presión de la llave de 1” 0.6 0.5 Presión (Bar) 0.208 0.422 0.525 Presión Bar Flujo (L/h) 2000 3000 3500 0.4 0.3 Presión Bar 0.2 0.1 0 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 1 8 E. Llave de " − 1" Llaves de 1/8"-1" 0.7 Flujo (L/h) 2000 3000 3500 Presión Bar 0.6 Presión (Bar) 0.2 0.45 0.519 0.5 0.4 0.3 Presión Bar 0.2 0.1 0 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 1 Tabla 6.5 Flujo y presión de la llave de 8 " − 1" 1 Figura 6.5 Flujo y presión de la llave de 8 " −1” F. Tubo de acero calibre 40 Flujo (L/h) 2000 3000 4000 4500 Presión (Bar) 0.026 0.049 0.09 0.083 a 6.6 Flujo y presión de acero calibre 40 Presión Bar Tubo de Acero Calibre 40 Tabl 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 Presión Bar 0 1000 2000 3000 4000 5000 Flujo L/h Figura 6.6 Flujo y presión de acero calibre 40 G. Tubo “U” 6 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios Tubo "U" Presión (Bar) 0.043 0.056 0.078 Presión Bar Flujo (L/h) 2000 3000 3400 Tab la 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 Presión Bar 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 6.7 Flujo y presión del tubo “U” Figura 6.7 Flujo y presión del tubo “U” 3 H. Reducción 1”-4” Reduccion 1"-3/4" 3 4 Flujo (L/h) 2000 3000 3500 Presión (Bar) 0.165 0.332 0.4 Presión Bar Tabla 6.8Flujo y presión de la reducción 1”- ” 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Presión Bar 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 3 Figura 6.8 Flujo y presión de la reducción 1”-4” I. 3 4 Ampliación ” - 1” Ampliación 3/4"-1" 0.12 Flujo (L/h) 2000 3000 Presión (Bar) 0.064 0.113 Presón Bar 0.1 3 3 0.06 Presión Bar 0.04 0.02 Tabla 6.9 Flujo y presión de la ampliación 4” - 1” J. 0.08 0 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 3 Figura 6.9Flujo y presión de la ampliación 4” - 1” 3 Reducción 1”-4” con ampliación 4” - 1” 7 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios Reducción 1"-3/4" con Ampliación 3/4"-1" 0.6 3 Tabla 6.10 Flujo y presiónde la reducción 1”-4” Presión (Bar) 0.226 0.435 0.541 3 4 con ampliación ” - 1” Presión Bar Flujo (L/h) 2000 3000 3500 0.5 0.4 0.3 Presión Bar 0.2 0.1 0 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 3 Figura 6.10Flujo y presión de la reducción 1”-4” 3 con ampliación 4” - 1” 3 3 K. Tubo “U” a reducción de 1”-4” con ampliación 4” - 1” Tubo "U" a Reducción 1"-3/4" con Ampliacción 3/4"-1" Tabla 6.11 Flujo y presión de tubo “U” a 0.7 Flujo (L/h) 2000 3000 3500 Presión (Bar) 0.259 0.508 0.621 Presión Bar 0.6 0.5 0.4 0.3 Presión Bar 0.2 0.1 0 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h 3 3 reducción 1”-4” con ampliación 4” - 1” Figura 6.11Flujo y presión de tubo “U” a 3 3 reducción 1”-4” con ampliación 4” - 1” 3 4 L. Tubo “U” a reducción de 1”- ” Tubo "U" a Reducción 1"-3/4" 0.6 Flujo (L/h) 2000 3000 3500 Presión (Bar) 0.198 0.4 0.494 Tabla 6.12 Flujo y presión de tubo “U” a 3 reducción 1”-4”. Presión Bar 0.5 0.4 0.3 Presión Bar 0.2 0.1 0 0 1000 2000 3000 4000 Flujo L/h Figura 6.11Flujo y presión de tubo “U” a reducción” 8 Flujo de fluidos Procesos de separación I Determinación experimental de la caída de presión en accesorios 8. Conclusiones Como se muestra en las gráficas la pérdida de carga mayor es la del tubo Venturi, ya que este ejerce más presión al fluido y la menor es la del tubo de PVC de 1/8”. 9. Cuestionario 1. ¿Qué es dinámica de fluidos? Son las pérdidas de presión que sufren los fluidos en su circulación a través de las tuberías y conductos. Son debidas a los rozamientos de los fluidos con las paredes de las tuberías o conductos y a los rozamientos entre las distintas capas de fluido. 2. ¿Cuál tipos de pérdidas de cargas existen? Pérdidas de carga lineales: son las que se producen a lo largo de toda la tubería o conducto. Pérdidas de carga singulares: son las que se producen en los equipos y accesorios. 3. ¿Cuáles son los factores que influyen en la perdida de carga? A. El fluido está caracterizado por la: Densidad ( ) Viscosidad (µ) B. La tubería está caracterizado por: Sección o diámetro interior (d) Rugosidad interior (k) C. El derrame del fluido, a su vez, está caracterizado por: Velocidad (v) Numero de Reynolds (re) 4. ¿Aplicación industrial de la dinámica? Algunos gases como el acetileno y el butano se utilizan como combustibles en diversas operaciones, tales como soldadura, sistemas de calefacción de casas, hornos industriales, etc. 10. Referencias Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Meter Harriott, Séptima Edición, Pág. 47,48,207 9 Flujo de fluidos
