MECÁNICA DE FLUIDOS ESTUDIO HIDRODINÁMICO PÉRDIDAS EN UN SISTEMA HIDRÁULICO Eduardo Astorga olivares Juan Castro Blumm Iván Espinoza Baez Daniel Moya Estudiantes de ing. mecánica -1- Índice Resumen Objetivos Teoría Aparatos y accesorios utilizados Análisis experimental para el desarrollo Datos obtenidos Desarrollo Conclusión Bibliografía 3 4 5 17 18 20 22 38 40 Sugerencias 40 -2- Resumen En el presente informe se refiere a la teoría y formulas usadas en el estudio del flujo de fluidos en tuberías. Ya que las instalaciones industriales en su mayor parte están constituidas por válvulas y accesorios, es necesario un conocimiento de su resistencia al paso de fluidos para determinarlas características de flujo de un sistema de tubería completo. -3- Objetivos El método mas común para trasportar fluido de un punto a otro, es impulsando a través de un sistema de tuberías, en el análisis de esto se hace referencia a los problemas especiales de mecánica de fluidos, los cuales muy pocos se pueden resolver por métodos matemáticos convencionales; utilizando para ello métodos resolución basados en coeficientes determinados experimentalmente. Evidenciando el problema ya que estos coeficientes, se aplican a formula empíricas que no están exentas de problemas ya que se aplican bajo ciertas condiciones -4- Teoría Tipos de fluidos Aquellos flujos donde las variaciones en densidad son insignificantes se denominan incompresibles; cuando las variaciones en densidad dentro de un flujo no se pueden despreciar, se llaman compresibles. Si se consideran los dos estados de la materia incluidos en la definición de fluido, líquido y gas, se podría caer en el error de generalizar diciendo que todos los flujos líquidos son flujos incompresibles y que todos los flujos de gases son flujos compresibles. La primera parte de esta generalización es correcta para la mayor parte de los casos prácticos, es decir, casi todos los flujos líquidos son esencialmente incompresibles. Por otra parte, los flujos de gases se pueden también considerar como incompresibles si las velocidades son pequeñas respecto a la velocidad del sonido en el fluido; la razón de la velocidad del flujo, V, a la velocidad del sonido, c, en el medio fluido recibe el nombre de número de Mach, M, es decir, M =V/c Los cambios en densidad son solamente del orden del 2% de valor medio, para valores de M < 0.3. Así, los gases que fluyen con M < 0.3 se pueden considerar como incompresibles; un valor de M = 0.3 en el aire bajo condiciones normales corresponde a una velocidad de aproximadamente 100 m/s. Los flujos compresibles se presentan con frecuencia en las aplicaciones de ingeniería. Entre los ejemplos más comunes se pueden contar los sistemas de aire comprimido utilizados en la operación de herramienta de taller y de equipos dentales, las tuberías de alta presión para transportar gases, y los sistemas censores y de control neumático o fluídico. Los efectos de la compresibilidad son muy importantes en el diseño de los cohetes y aviones modernos de alta velocidad, en las plantas generadoras, los ventiladores y compresores. Bajo ciertas condiciones se pueden presentar ondas de choque y flujos supersónicos, mediante las cuales las propiedades del fluido como la presión y la densidad cambian bruscamente Flujos incompresibles estacionario en conductos a presión Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático y científico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las -5- partículas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Para el autor John Muller: Este principio es importante para la medida de flujos, y también puede emplearse para predecir la fuerza de sustentación de un ala en vuelo. Flujo Laminar y Turbulento. Los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a través de tuberías fueron realizados independientemente en 1839 por el fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille, que estaba interesado por las características del flujo de la sangre, y en 1840 por el ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió al ingeniero francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemático británico George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a través de una tubería recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren que, dados una tubería y un fluido determinados, esta caída de presión debería ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos realizados por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era más bien proporcional al cuadrado de la velocidad. Según James A. Fay: ”Los flujos turbulentos no se pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su análisis depende de una combinación de datos experimentales y modelos matemáticos”; gran parte de la investigación moderna en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia. Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados. -6- Flujo principal turbulento. Remolinos Flujo Los flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo en cuenta la estructura interna del flujo. En un régimen laminar, la estructura del flujo se caracteriza por el movimiento de láminas o capas. La estructura del flujo en un régimen turbulento por otro lado, se caracteriza por los movimientos tridimensionales, aleatorios, de las partículas de fluido, superpuestos al movimiento promedio. En un flujo laminar no existe un estado macroscópico de las capas de fluido adyacentes entre sí. Un filamento delgado de tinta que se inyecte en un flujo laminar aparece como una sola línea; no se presenta dispersión de la tinta a través del flujo, excepto una difusión muy lenta debido al movimiento molecular. Por otra parte, un filamento de tinta inyectado en un flujo turbulento rápidamente se dispersa en todo el campo de flujo; la línea del colorante se descompone en una enredada maraña de hilos de tinta. Este comportamiento del flujo turbulento se debe a las pequeñas fluctuaciones de velocidad superpuestas al flujo medio de un flujo turbulento; el mezclado macroscópico de partículas pertenecientes a capas adyacentes de fluido da como resultado una rápida dispersión del colorante. El filamento rectilíneo de humo que sale de un cigarrillo expuesto a un ambiente tranquilo, ofrece una imagen clara del flujo laminar. Conforme el humo continúa subiendo, se transforma en un movimiento aleatorio, irregular; es un ejemplo de flujo turbulento. El que un flujo sea laminar o turbulento depende de las propiedades del caso. Así, por ejemplo, la naturaleza del flujo (laminar o turbulento) a través de un tubo se puede establecer teniendo en cuenta el valor de un parámetro adimensional, el número de Reynolds, Re = pVD/u, donde p es la densidad del fluido, V la velocidad promedio, D el diámetro del tubo y u la viscosidad. El flujo dentro de una capa límite puede ser también laminar o turbulento; las definiciones de flujo laminar y flujo turbulento dadas anteriormente se aplican también en este caso. Como veremos más adelante, las características de un -7- flujo pueden ser significativamente diferentes dependiendo de que la capa. Límite sea laminar o turbulenta. Los métodos de análisis también son diferentes para un flujo laminar que para un flujo turbulento. Por lo tanto, al iniciar el análisis de un flujo dado es necesario determinar primero si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento. Veremos más detalles a este respecto en capítulos posteriores. Regímenes de flujo laminar y turbulento Las ecuaciones que rigen el régimen laminar de flujo son las mismas que en el flujo turbulento, las denominadas ecuaciones de Navier-Stokes que para un flujo de un fluido newtoniano e incompresible son: Las incógnitas de estas ecuaciones son el campo de velocidades y el de presiones . El régimen laminar se caracteriza por un movimiento ordenado de las partículas de fluido, existiendo unas líneas de corriente y trayectorias bien definidas. En el régimen turbulento las partículas presentan un movimiento caótico sin que existan unas líneas de corriente ni trayectorias definidas. En cuanto al campo de velocidades de uno u otro régimen, si en un punto de un campo de flujo se hiciera una medida del valor de una variable de campo (por ejemplo de la componente de la velocidad en dirección X) se obtendría que en régimen laminar ésta presenta un valor bien definido que es constante en el tiempo si las condiciones de contorno del flujo son estacionarias o presenta una ordenada variación temporal si las condiciones de contorno varían en el tiempo. En el régimen turbulento en cambio las variables de flujo presentan una variación temporal, aún cuando las condiciones de contorno del flujo sean estacionarias, muy rápida y aleatoria en un amplio rango de frecuencias (se han medido rangos entre 0 y 10000 Hz). -8- Figura 1. Regimenes laminar y turbulento El intentar obtener una solución a las ecuaciones del flujo en régimen turbulento esta fuera del alcance del análisis matemático y el cálculo numérico actuales. De forma similar a la teoría cinética donde se estudia el movimiento de infinidad de moléculas hay que recurrir a un estudio estadístico de la turbulencia trabajando con propiedades promedio. Una posibilidad de promediar las variables de flujo es considerar que en un punto del campo las variables vienen dadas como la suma de un valor promedio y una fluctuación turbulenta: El valor promedio temporal de una variable se obtiene de la forma: Siendo T un periodo tal que el valor promedio obtenido es independiente de este valor. T es mucho más pequeño que la variación del valor promedio de forma que éste último podrá depender del valor del tiempo alrededor del cual se toma el promedio pero no de la amplitud elegida para realizarlo. De la definición de las variables promedio se deduce que: -9- Aunque los valores promedios de las fluctuaciones sean cero no es cierto que el promedio del producto de dos fluctuaciones lo sea, por ejemplo: Una vez que se ha definido la manera de promediar, se toman valores promedio en las ecuaciones de Navier-Stokes. Aquí no se va a entrar en el detalle del resultado obtenido al realizar estos promedios (para ello puede consultarse la bibliografía) pero decir que las ecuaciones que se obtienen son: La ecuación de la continuidad tiene el mismo aspecto sólo que en lugar del campo de velocidades aparece el campo de velocidades promedio. La ecuación de la cantidad de movimiento presenta, además del cambio de las velocidades instantáneas por las promedio, la aparición de un nuevo término, unas tensiones adicionales que se denominan tensiones turbulentas de Reynolds. Estas tensiones cuantifican la influencia de la fluctuación turbulenta en el campo de flujo promedio. Para poder resolver las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas es necesario conocer como se relacionan estas tensiones turbulentas con las variables de , y se conoce como flujo. A la relación matemática esta relación entre modelo de turbulencia. Es en esta modelación, donde se investiga actualmente, - 10 - es donde reside la dificultad de resolver el flujo turbulento. Los modelos que se han propuesto son semiempíricos y no son universales entre ellos se podían citar el modelo de longitud de mezcla de Prandtl, el modelo k- y el modelo k- realizable. Número de Reynolds Crítico. En 1883, cuando el ingeniero británico Osborne Reynolds demostró la existencia de dos tipos de flujo viscoso en tuberías, decía que a velocidades bajas, las partículas del fluido siguen las líneas de corriente (flujo laminar), y los resultados experimentales coinciden con las predicciones analíticas. Reynolds demostró que a velocidades más elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una forma que ni siquiera en la actualidad se puede predecir completamente. Reynolds además determinó que la transición del flujo laminar al turbulento era función de un único parámetro, que desde entonces se conoce como número de Reynolds. Si el número de Reynolds que carece de dimensiones y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido es menor de 2.100, el flujo a través de la tubería es siempre laminar; cuando los valores son más elevados suele ser turbulento. El concepto de número de Reynolds es esencial para gran parte de la moderna mecánica de fluidos. Flujo de fluidos en tuberías Flujo de fluidos Tipos de flujo Flujo e xterno Pérdidas de carga la minar por fricción Flujo interno tuberías Reynolds Flujo en tuberías Situaciones de cálculo •Coeficiente de fricción •No. de Reynolds •Rugosidad r elativa •Ec. Darcy ¿caída de presión? ¿diá met ro mínimo? turbulento en accesorios < 2100> - 11 - ¿Caudal? El ábaco de Moody Este ábaco fue publicado por L. F. Moody en 1944 basándose en la fórmula de Colebrook. Perdidas locales en flujo turbulento. Perdida de carga en: Entrada (redondeadas de bordes vivos, reentradas), estrechamiento (abruptos, gradual), ensanchamiento, curvas y codos, otros accesorios. Perdidas por carga Cuando un fluido fluye por una tubería, u otro dispositivo, tienen lugar pérdidas de energía debido factores tales como: - La fricción interna en el fluido debido a la viscosidad. - La presencia de accesorios: - 12 - La fricción en el fluido en movimiento es un componente importante en la perdida de energía en un conducto. Es proporcional a la energía cinética del flujo y a la relación longitud/diámetro del conducto. En la mayor parte de los sistemas de flujo, la perdida de energía primaria se debe fricción del producto. Los demás tipos de perdidas son por lo general comparativamente pequeñas, como perdidas menores, estas ocurren cuando hay dispositivos que interfieren al flujo: válvulas, reductores, codos, etc. Ecuación de energía Pérdidas de carga hT 2 Turbina p2 ρ + hP V 22 + gZ 2 2 p1 V12 p V2 + + gZ1 + ghB = 2 + 2 + gZ2 + ghT + ghp ρ 2 ρ 2 hb p2 + gZ 2 ρ 1 2 2 V + 2 Flujo B omba Ecuación de energía: V2 p V2 + 1 + gZ 1 + gh B = 2 + 2 + gZ ρ 2 ρ 2 p1 ρ + V 12 + gZ 1 2 La energía perdida es la suma de: p1 2 + gh T + gh P - 13 - hp = hf + ha Pérdidas de carga por fricción V.C. 1 V1 , u1 ρ, p1 D ,z1 2 dQ dm V2 , u2 ρ, p2 D ,z2 Si considera mos un flujo permanente e inco mpresible en una tubería horizontal de d iá metro uniforme, la ecuación de energía aplicada al V.C. Puede disponerse en la siguiente forma: p1 − p 2 ρ 0 V12 − V 22 dQ 0 + + g ( z1 − z 2 ) = ( u 2 − u 1 ) − 2 dm Pérdidas de carga por fricción Como: la sección del tubo es constante y su posición es horizontal; se tiene: ∆p ρ = ∆u − dQ dm Los dos términos del segundo miembro de esta ecuación se agrupan en un solo término denominado pérdidas de carga pro fricción. h f = ∆u − - 14 - dQ ∆p ⇒ = hf dm ρ Ecuación de Darcy Las variab les influyentes que intervienen en el proceso son: ∆ p caída de presión Estas variables pueden ser agrupadas en los siguientes parámetros adimensionales: V ve locidad media de flu jo ρ densidad del flu ido ρ VD ∆p l e = F , , 2 ρV D D µ µ viscosidad del fluido D d iámetro interno del conducto ∆p ρV L longitud del tra mo considerado 2 = ρ VD l e f , D µ D e rugosidad de la tubería h f = f l V 2 D 2 h (J/Kg.) o l V 2 D 2g = f f (m) Pérdidas de carga en accesorios Coeficiente K ha = k Longitud Equivalente 2 V 2 2 Le V ha = f D 2 Equivalencia entre ambos métodos L k = f e D - 15 - Instrumentación Básica. APARATO MEDIDOR DE FLUJO El fluido, en este caso agua; es bombeado al aparato por el extremo inferior izquierdo y fluye primeramente a través del Venturis, a continuación por la expansión brusca (Tobera), Orificio y finalmente por el Rotámetro. Al salir del Rotámetro, el agua pasa por una válvula de control conectada al tanque de pesaje, el cual está en el interior de un Banco Hidráulico que entrega agua al aparato medidor de flujo utilizando una bomba instalada en el Banco. Las presiones estáticas de cada punto a través del sistema de medición son registradas por medio de un manómetro multi-tubular transparente, el mismo que puede ser presurizado para evitar tener una columna de agua muy alta, ya que sólo nos interesa el diferencial de presión. Este aparato permite al estudiante familiarizarse con algunos de los métodos típicos de medición de flujo de un fluido incompresible, al mismo que se demuestra las aplicaciones de la ecuación de Bernoulli. La medición del flujo se la hace utilizando un tanque pesaje y un cronómetro, el cual se lo va a considerar como flujo másico de calibración; para poder comparar con cada uno de los medidores como: Venturi, Tobera, Orificio y un Rotámetro conectados en serie, los cuales son objeto de calibración. A partir de la diferencia entre la curva de calibración (tanque de pesaje y cronómetro) y los flujos másicos ideales calculados a partir de la ecuación de Bernoulli, que está en función de las presiones medidas y de la relación de diámetros de cada medidor, se puede calcular el coeficiente de descarga de cada medidor - 16 - Aparatos y accesorios utilizados Una huincha de medir Un pie de metro 1 cronometro Volumen de control con mm de precisión 0,125 mm centésimas de segundo en precisión 1 litro de capacidad - 17 - Análisis experimental para el desarrollo Formulas adjuntas B1=B2+∆h( 1-2) Tipos de pérdidas • Por longitud • Acc .hidráulicos ∆hf = Perdidas primarias o por longitud de tubería. ∆hs = Perdidas por singularidad o accesorios. - 18 - Hm +B1=(B2 + ∆h (1-2)) ∆hf + ∆hs ∆hf (perdidas primarias) ∆hf =∫ LT * V2 DT 2g f : coeficiente de fricción o roce entre el flujo la tubería LT : Largo de tubería DT: Diámetro tubería V : Velocidad g : Gravedad ∆hs = K* V2 2g K= es propio según el tipo de accesorio Hm +B1 = B2 +∫LT * V2 + K * V2 DT 2g 2g Nota: si el factor K no se encuentra se reemplaza en ∆hf por un largo equivalente ∫Le * V2 DT 2g - 19 - Remplazando por largo equivalente, que produce la misma perdida que el accesorio Reynolds R= Vt * Dt ν ν: Viscosidad cinemática Dt: Diámetro de tubería Vt: Velocidad Nota: el resultado de esta ecuación será un numero adimensional <2000 ¨ laminar¨ 2000< R>4000 ¨ Transición >4000 ¨turbulento¨ Datos obtenidos del laboratorio - 20 - La altura de la inclinación es de 0.2867m Tabla de espesores Nota: para la realización de cálculo se tomo como espesor de cañería 1 mm. - 21 - Conversión de unidades Tubería inclinada con diámetro exterior 5/8”=0,0158mts y diámetro interior de 0,01358. El volumen de control corresponde a un recipiente de el cual fue utilizado con una capacidad de 900 cc lo que equivale a 0,0009mts3 Desarrollo 1) La primera medición de tiempos se realizo con la llave totalmente abierta y arrojo tiempos de medición sobre el volumen de control de: T1=6,25 seg T2=5,71seg T3=5,68seg El diferencial de presión fue: Todas estas mediciones fueron efectuadas en mm/columna de agua. Los caudales de salida serán detallados a continuación: Q1= 0,0009/6,25= 0,000144mt3/seg Q2=0,0009/5,71=0,0001576mt3/seg Q2=0,0009/5,68=0,0001585mt3/se - 22 - Tabla de valores Resultado - 23 - Interpretación de resultados Con un Re de 1.41E04 y un fchen de 0.0799 nos da una pérdida de 0.02899, todo esto aplicando Blasius, por lo tanto nuestra superficie de cañerías es semi rugosa, (ver tabla). Ahora con este coeficiente sacamos la perdida por roce con la formula de perdidas primarias El resultado es 0.323 m este resultado es para 3 metros de cañería, pero para sacar la perdida secundaria por accesorio es necesario tener el largo equivalente y este equivale a 30 metros para cañerías de ½ a 3/2 de pulgada por lo tanto la perdida de la llave es 10 veces mayor que la perdida obtenida para 3 metros de cañería. Su resultado es 3.23m; por lo tanto la perdida total equivale a ¨3.553m¨ Segunda medición 2) Ahora se efectuó una medición de tiempo con el mismo volumen de control pero se vario el cierre de la llave en 2 vueltas por lo que las mediciones de tiempo fueron T1=6,9 seg T2=6,63 seg T3=6,65seg - 24 - El diferencial de presión fue: Esto en mm/columna de agua Los caudales de salida fueron: Q1=0, 0009/6,9=0,0001304mts3/seg Q2=0,0009/6,63=0,0001357mts3/seg Q2=0,0009/6,65=0,0001353mts3/seg - 25 - Tabla de valores Resultados - 26 - Interpretación de resultados Con un Re de 1.17E04 y un fchen de 0.0799 nos da una pérdida de 0.03036, todo esto aplicando Blasius, por lo tanto nuestra superficie de cañerías es semi rugosa, (ver tabla). Ahora con este coeficiente sacamos la perdida por roce con la formula de perdidas primarias El resultado es 0.2243 m este resultado es para 3 metros de cañería, pero para sacar la perdida secundaria por accesorio es necesario tener el largo equivalente y este equivale a 30 metros para cañerías de ½ a 3/2 de pulgada por lo tanto la perdida de la llave es 10 veces mayor que la perdida obtenida para 3 metros de cañería. Su resultado es 2.24m; por lo tanto la perdida total equivale a ¨2.46m¨ Tercera medición 3) se hizo con 2 vueltas menos T1=8,5 seg T2=7,96seg T3=8,35seg - 27 - El diferencial de presión fue: Mediciones de caudal: Q1=0,0009/8,5=0,0001058mts3/seg Q2=0,0009/7,96=0,0001130mts3/seg Q3=0,0009/8,35=0,0001077 mts3/seg. - 28 - Tabla de valores Resultados - 29 - Interpretación de resultados Con un Re de 1.00E04 y un fchen de 0.0799 nos da una pérdida de 0.03160, todo esto aplicando Blasius, por lo tanto nuestra superficie de cañerías es semi rugosa, (ver tabla). Ahora con este coeficiente sacamos la perdida por roce con la formula de perdidas primarias El resultado es 0.1632 m este resultado es para 3 metros de cañería, pero para sacar la perdida secundaria por accesorio es necesario tener el largo equivalente y este equivale a 30 metros para cañerías de ½ a 3/2 de pulgada por lo tanto la perdida de la llave es 10 veces mayor que la perdida obtenida para 3 metros de cañería. Su resultado es 1.632m; por lo tanto la perdida total equivale a ¨2.264m¨ Cuarta medición 4) Luego se efectuaron las mismas medidas en la tubería horizontal la cual tenia un diámetro exterior de 11/8”=0,0285mts y el volumen de control fue el mismo utilizado que para la experiencia anterior. La primera experiencia realizad fue con la llave totalmente abierta lo que arrojo tiempos de: T1=1,55 seg T2=1,45 seg T3=1,4 seg - 30 - Luego el diferencial de presión fue: Las mediciones de caudales son: Q1= 0,0009/1,55=0,0005806mts3/seg Q2=0,0009/1,45=0,0006206mts3/seg Q3=0,0009/1,4=0,0006428mts3/seg Tabla de valores - 31 - Resultados Interpretación de resultados Con un Re de 2.95E04 y un fchen de 0.113381 nos da una pérdida de 0.02411, todo esto aplicando Blasius, por lo tanto nuestra superficie de cañerías es semi rugosa, (ver tabla). Ahora con este coeficiente sacamos la perdida por roce con la formula de perdidas primarias - 32 - El resultado es 0.2080 m este resultado es para 3 metros de cañería, pero para sacar la perdida secundaria por accesorio es necesario tener el largo equivalente y este equivale a 30 metros para cañerías de ½ a 3/2 de pulgada, esta perdida corresponde a 2.006m; por lo tanto la perdida total será ¨2.21m¨ Quinta medición 5) Tubo recto con 2 vueltas menos Tiempos: T1=1,6 seg T2=1,5 seg T3=1,6 seg El diferencial de presiones corresponde a: mediciones de caudal: Q1=0,0009/1,6=0,0005625mts3/seg. Q2=0,0009/1,5=0,0006mts3/seg. Q3=0,0009/1,6=0,0005625mts3/seg. - 33 - Tabla de valores Resultados - 34 - Interpretación de resultados Con un Re de 2.76E04y un fchen de 0.11103 nos da una pérdida de 0.02453, todo esto aplicando Blasius, por lo tanto nuestra superficie de cañerías es semi rugosa, (ver tabla). Ahora con este coeficiente sacamos la perdida por roce con la formula de perdidas primarias El resultado es 0.1813 m este resultado es para 3 metros de cañería, pero para sacar la perdida secundaria por accesorio es necesario tener el largo equivalente y este equivale a 30 metros para cañerías de ½ a 3/2 de pulgada, esta perdida corresponde a 1.748m; por lo tanto la perdida total será ¨1.93m¨ Sexta medición 6) La última medición se efectuó con una restricción de 2 vueltas menos lo que arrojo unos tiempos de: T1=2,4 seg T2=2,2 seg T3=2,4 seg nota: todas las mediciones de tiempo arrojadas en este laboratorio fueron hechas tras la elaboración de un promedio de tres tiempos por cada tiempo registrado en este laboratorio. - 35 - El diferencial de presión arrojo una medición de: luego las mediciones de caudal fueron: Q1=0,0009/2,4=0,000375mts3/seg. Q 2=0,0009/2,2=0,000409mts3/seg Q3=0,0009/2,4=0,000375mts3/seg Tabla de valores - 36 - Resultados Interpretación de resultados Con un Re de 1.85E04 y un fchen de 0.111031 nos da una pérdida de 0.02709, todo esto aplicando Blasius, por lo tanto nuestra superficie de cañerías es semi rugosa, (ver tabla). Ahora con este coeficiente sacamos la perdida por roce con la formula de perdidas primarias El resultado es 0.0821m este resultado es para 3 metros de cañería, pero para sacar la perdida secundaria por accesorio es necesario tener el largo equivalente y este equivale a 30 metros para cañerías de ½ a 3/2 de pulgada, esta perdida corresponde a 0.791m; por lo tanto la perdida total será ¨0.87m¨ - 37 - Conclusión A la aplicación de la ley de conservación de energía al flujo de fluidos en una tubería se le suma los factores de fricción o rozamiento ∆hf y ∆hs que están asociados a una pérdida de altura piezométrica, es decir, son una pérdida de energía del fluido debida a la fricción interna del fluido. Siempre hay que considerar que existen pérdidas o incrementos de energía que deben incluirse en la ecuación de Bernoulli. Para las ecuaciones de flujo estacionario, laminar y completamente desarrollado en un tubo de sección circular no solamente se le suman las tensiones tangenciales sino que hay que añadirle unas tensiones adicionales debida a la turbulencia (perdida adicional de energía) y así poder determinar la tensión final o cortante en las paredes de las cañerías y en los bordes de las paredes de válvulas de paso. La tensión cortante queda determinada en función al diámetro de la cañería para evitar que la tensión cortante no se haga infinita cuando el radio es cero (en la ecuación). El factor de rozamiento queda determinado en función del largo, diámetro, velocidad y acerelacion de gravedad. El signo se determina como negativo ya que se opone al movimiento del flujo. La palabra tubería se refiere siempre a un conducto cerrado de sección circular y diámetro circular constante. Las perdidas por fricción en tuberías son muy sensibles a los cambios de de diámetro y rugosidad las paredes. Para un caudal determinado y un factor de fricción fijo, la perdida de presión por metro de cañería varia inversamente a la quinta potencia del diámetro. Ejemplo; Las tuberías oxidadas interiormente (Cambio de rugosidad) o que incluyan capas o incrustados de capas, tierra y otros materiales extraños pueden dar margen para una reducción del diámetro del paso. Una cañería galvanizada de 4 pulgadas podría aumentar su factor de fricción a 20% al paso de 3 años, con el aumento de la rugosidad, dependiendo del material y de la naturaleza del fluido. La formula de Darcy ofrece la ventaja que su ecuación puede ser usada para cualquier fluido, incluyendo flujo laminar ya que puede ser deducida por análisis dimensional, sin embargo una de las variables en la formula, el coeficiente de fricción debe ser determinado experimentalmente (ver informe anterior) y nos podemos imaginar que esta formula nos conlleva a una extensa aplicación y uso de tablas (propiedades de los fluidos). - 38 - El conocimiento previo de las propiedades de los fluidos nos conlleva a valores exactos de las propiedades de los fluidos que afectan a su flujo, principalmente la viscosidad y peso específico. La viscosidad se puede predecir para la mayoría de los fluidos y en otros casos va a depender del trabajo que se haya realizado sobre ellos para poder transportarlos a través de cañerías, ejmpl, fluidos que tienen propiedades tixotópicas de viscosidad, muy usado en la elaboración de papel, salsa de tomate, industria cerámica etc. (el movimiento del fluido rompe el estado de gel) En nuestra experiencia anterior ensayamos empíricamente la viscosidad absoluta o dinámica de la glicerina medida en Pa*seg o mejor dicho Kg./(m*s) , esta unidad se conoce en Francia como poiseuille(PI) La viscosidad absoluta es una medida de su resistencia al deslizamiento (ver informe anterior) o a sufrir deformaciones internas y como ya dijimos una de las variables de la formula de Darcy, el coeficiente de fricción, se define empíricamente. La viscosidad del agua a 20º C es de 0.001 Pa*seg o 1 centipoise. Existen datos sobre pruebas de perdida de presión para una amplia variedad de conexión de válvulas y accesorios, fruto de trabajo d muchos investigadores, es imposible obtener datos de prueba de cada medida debido al costo y tiempo que involucra, por eso se confeccionan tablas de extrapolación para obtener la información necesaria.( En tabla para el factor de fricción) Los regimenes laminar, critico y turbulento se producen en función del diámetro, densidad, viscosidad de fluido, y velocidad del flujo en la cañería. - 39 - Bibliografía • • • Mecanica de fluidos libro Claudio Mataix segunda edición Flujo de fluidos en válvulas y accesorios de tubería CRANE http://www1.ceit.es/asignaturas/Fluidos1/WEBMF/Mecanica%20de%20 Fluidos%20I/FAQMFI/FAQ10.htm http://www1.ceit.es/asignaturas/Fluidos1/WEBMF/Mecanica%20de%20 Fluidos%20I/FAQMFI/FAQ12.html Sugerencias e-mail: oreganium@yahoo.es; espinba@hotmail.com; castroblumm@hotmail.com - 40 - - 41 -