LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Práctica 2 PRESENTACION EXÁMEN RÁPIDO FORMATO CALCULOS RESULTADOS DISCUSION DE RESULTADOS CONCLUSIONES Mecánica de Fluidos Caída de Presión en Tuberías NOMBRE MATRICULA PROFESOR INSTRUCTOR TOTAL 5% 10% 10% 20% 20% 15% 20% 100% Introducción Todas las tuberías, válvulas y accesorios que constituyen una red de flujo presentan cierta resistencia al paso de un fluido a través de ellas. Esta resistencia debida a la fricción provoca una disminución en la energía del fluido. La pérdida de energía debe ser tomada en cuenta para el diseño de los sistemas hidráulicos, con el objeto de proponer elementos que contrarresten ésas pérdidas y lograr que el fluido llegue al lugar deseado. Objetivos Determinar el flujo volumétrico del agua en una tubería medido con un venturi y compararlo contra el flujo volumétrico estimado con ecuaciones.. Teoría Cuando hacemos circular un fluido a través de una tubería, observamos que existe una pérdida de energía debida a la fricción existente entre el fluido y la tubería. Esta pérdida de energía se manifiesta como una disminución de la presión del fluido. Esta caída de presión en una tubería horizontal, sin accesorios se puede calcular de la siguiente manera: P 1 2 L V f 2 D El flujo en el la sección de tubo a medir se obtiene do la siguiente manera: Qtubo 2 D 4 P L 8 f D donde P es la caída de presión que queremos medir, es la densidad del fluido que estamos midiendo, f es el factor de fricción, L es la longitud del tramo de tubería, D es el diámetro de la tubería, y v es la velocidad promedio del fluido dentro de la tubería. 1 LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA La caída de presión que ocurre a través de un tramo de tubería puede determinarse con la ayuda de un manómetro diferencial conectado en los extremos de la tubería. El manómetro diferencial consta de dos mangueras que se conectan a un par de tubos piezométricos graduados, donde el agua se levanta hasta un nivel y nos permite apreciar una diferencia de alturas. Para calcular la diferencia de alturas y el diferencial de presión se utiliza la siguiente ecuación: P agua g h Para determinar la velocidad promedio del fluido dentro de la tubería se utiliza un medidor venturi, que consiste en una disminución gradual en el diámetro de la tubería como se muestra en la siguiente figura: D1 D Aplicando la ecuación de Bernoulli para esta sección, podemos encontrar que una aproximación de la velocidad está dada por: Q Cd Venturi At 2P1 P2 1 4 Donde: 4.5 Cd Venturi 0.9858 0.196 D0 D1 D 0 2 At 4 La caída de presión a través del medidor venturi se puede medir con la ayuda de los tubos piezométricos. Algo también importante es el cálculo del factor de fricción f. Este factor depende de las propiedades físicas del fluido (como su viscosidad y su densidad), y del flujo. Además depende de las propiedades de la tubería como son el diámetro y la rugosidad. Una manera de obtener el valor del factor de fricción es ayudándose del diagrama de Moody y otra es utilizando la ecuación de Colebrook. Ec. de Colebrook: 2.51 2 log D 3.7 Re f f 1 2 LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Equipo 43 42 44 52 7 8 21 49 39 41 38 40 37 51 36 4 20 45 50 47 19 25 29 3 33 16 34 35 48 12 18 24 32 28 2 6 15 46 17 11 9 27 23 31 1 14 5 10 26 22 Fit Drain 30 13 Diagrama de flujo del aparato Diagrama del circuito de agua. Bibliografía [1] Crane; Flujo de Fluidos en Válvulas y Accesorios; McGraw Hill, 1989. [2] Mott, Robert L. Mecánica de Fluidos Aplicada; 4ª edición; Prentice Hall; 1996. [3] White, Frank M. Fluid Mechanics; 3rd Edition, Mc Graw – Hill; 1994 Anexo El Circuito del Fluido para estudio de flujo de un fluido incompresible en varias tuberías debe incluir: 1 cuatro tubos resistentes a la corrosión de diferentes diámetros e igual longitud experimental, teniendo cada uno tres tomas para medir la presión; y conectados con varias pruebas T’s, codos y válvulas que al combinar formar una amplia variedad de arreglos de tuberías; 2 un motor de 1/4 hp, una bomba centrífuga y un control de encendido (S.P.S.T. de construcción impermeable; 3 un tanque de suministro de fluido hecho de fibra de vidrio para prevenir la corrosión con una capacidad de 14 galones, y un tubo de vidrio sellado para mediciones de flujo; 4 un tanque cilíndrico con paredes transparentes para facilitar la observación de la descarga de flujo laminar y turbulento de un circuito o tubo; 5 dos dispositivos de medición de flujos: un venturi transparente y un orificio transparente diseñados para ser intercambiables; 6 dos manómetros diferenciales o cuatro manómetros individuales contenidos en una base y tomas de presión en todo el sistema; 3 LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Detalles: Longitud estándar experimental de tuberías tipo L, drawn-copper, tubería de agua; Tubo # 4 Tamaño nominal in ........... 1 Diámetro exterior in ........... 1.125 Diámetro interior in ........... 1.025 Tubo # 3 Tamaño nominal in ........... 3/4 Diámetro exterior in ......... 0.875 Diámetro interior in............ 0.785 Tubo # 2 Tamaño nominal in ........... 1/2 Diámetro exterior in .......... 0.625 Diámetro interior in .......... 0.545 Tubo # 1 Tamaño nominal in .............3/8 Diámetro exterior in ........... 0.500 Diámetro interior in............ 0.430 Orificio: Orificio borde afilado; Diámetro in ......................... Orificio opcional borde afilado; Diámetro in .......... Orificio opcional borde redondo; Diámetro in ........ 0.625 0.562 0.562 Venturi: Diámetro de entrada in............................................ Diámetro de estrangulación in................................ 1.025 0.625 Tanque de Suministro: Diámetro externo in ................................................ Diámetro interno in ................................................. Capacidad gal .......................................................... 12 3/8 12 14 Bomba centrífuga : NPT succión in ........................ NPT descarga in....................... Capacidad, 10 ft. head gph ...... Capacidad, 2 ft. head gph ......... Motor: Volts y Amps ...................... 115 y 5.2 Ciclos por segundo .............. 60 Caballos de potencia ............ 1/4 Velocidad, max rpm ........... 1725 Control de encendido S.P.S.T. Enchufe, Tierra tipo Y Dimensiones: Longitud in ................................................................ Ancho in .................................................................... Altura, sin manómetros in ......................................... Altura, con manómetros in ........................................ Peso, sin fluido lbs .................................................... Peso de embarque lbs ................................................ 4 109 23 52 81 230 315 1 1 300 1320 LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Mecánica de Fluidos Flujo Turbulento Equipo _________ Grupo: _________ Nombre:______________________________ Fecha___________ Matrícula______________ Resultados experimentales y procedimiento: Medidor Venturi No. vueltas a la válvula h (in) Tubería de 1 in de Diámetro h (m) h (in) h (m) Procedimiento i. Abre y cierra las válvulas que sean necesarias para establecer un circuito que incluya la tubería de mayor diámetro (1in) donde se determinará la caída de presión, y que pase a través del medidor venturi. ii. Conecta las mangueras del manómetro diferencial al tramo de tubería de 1 in. iii. Conecta las mangueras del otro manómetro diferencial al medidor venturi. iv. Enciende la bomba del circuito de agua. v. Regula el flujo por medio de la válvula que en el diagrama aparece con el número 52 y permite que se establezca el estado estable. vi. Observa y registra las lecturas manométricas en la escala graduada y verifica que no presente aire.. vii. Modifica el flujo volumétrico moviendo la válvula 52, permitiendo 4 diferentes aperturas: viii. Para cada apertura observa y registra las lecturas manométricas en la escala graduada y anótalas en la tabla de resultados experimentales. Cálculos: 1. Calcula el flujo volumétrico a partir de la lectura piezométrica registrada en el venturi. 2. Calcula el flujo volumétrico con la lectura piezométrica registrada en el tubo de 1 in. 3. Llena la tabla de resultados que se muestra en la siguiente página y obtén tus conclusiones. Resultados: Flujo Qventuri [m3/s] Qtubo [m3/s] % error Conclusiones: 1. Según tus conocimientos discute ¿qué resultados esperabas obtener al medir el flujo volumétrico en el tubo y en el venturi? 2. ¿Qué porcentaje de error encontraste entre los resultados del flujo en el tubo y en el venturi?,¿Cuál de los dos métodos de medición de flujo recomendarías utilizar?, ¿Porqué? 3. Escribe 3 conceptos que hayas aprendido en ésta práctica. 5