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FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

Proyecto de Investigación Título de la Investigación Determinar las pérdidas de carga locales y de fricción empleando el equipo fme 03 –teorema de Bernoulli para edificaciones.

AUTOR(ES) FLORES SOSA CRISTIAN SMITH CRUZ YONG GINO PEÑA BECERRA ENJHOR

ASESOR METODOLOGÍA

ASESOR ESPECIALISTA

Pimentel, Abril de 2015

Título del proyecto de la tesis

Aprobación del proyecto

___________________________________________ Apellidos y Nombres:……………………………………. Autor

___________________________________________ Grado/ Apellidos y Nombres:………………………………… Asesor Metodológico

___________________________________________ Grado/ Apellidos y Nombres:………………………………… Asesor Especialista

___________________________________________ Grado/ Apellidos y Nombres:………………………………… Presidente de Jurado

___________________________________________ Grado/ Apellidos y Nombres:………………………………… Secretario(a) de Jurado

___________________________________________ Grado/ Apellidos y Nombres:…………………………………

Vocal/Asesor de Jurado

DEDICATORIA

A DIOS Por

haberme

permitido

lograr

este

proyecto

de

investigación. También por estar conmigo en los momentos más difíciles, y por hacer de mí una buena persona.

A MI MADRE Por estar ahí siempre conmigo apoyándome y dándome muchos ánimos a seguir

con

nuestros

objetivos

planteados, por sus grandes consejos de no dejarnos caer en momentos difíciles y lograr así todos nuestros

AGRADECIMIENTOS

sueños. Queremos

comenzar

con

un

agradecimiento

muy

especial al Ing. Guillermo G. Arriola Carrasco por el asesoramiento permanente para la culminación de la presente investigación, sobre todo por brindarnos el tiempo necesario para el desarrollo de nuestro proyecto, que incluyeron varias horas de dedicación y trabajo para poder

terminar

con

los

ensayos

de

laboratorio,

invitándonos inclusive muchas veces a la participación en diversos eventos académicos.

Agradecemos también al Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Señor de Sipán por el apoyo que nos brindaron desinteresadamente para la realización y culminación de los ensayos del modelo hidráulico y por el uso de los equipos de dichas instalaciones.

RESUMEN La situación problemática a nivel local no son muy altas debido a la llanura de la zona y no existe una deficiencia muy grande. Lambayeque está en un proceso muy agitado en su desarrollo, que hace que cada día veamos más construcciones de edificaciones en cualquier lugar de la ciudad, pero hoy en día está decayendo por la insuficiente de agua que puede llegar a los puntos de servicio deseados.

Ante dicha problemática nos hemos planteado el siguiente problema. ¿Cómo determinar las pérdidas de carga por fricción y pérdidas de carga locales con el equipo FME 03 BERNOULLI? Las justificaciones para la resolución de dicho problema planteado son de carácter tecnológico, ambiental y socioeconómico además nos hemos planteado una hipótesis: “Obtener

datos cuantificables en los distintos ensayos con los diferentes caudales

realizados”. Tenemos como objetivo: “Determinar de qué manera las pérdidas de carga por fricción y locales afecta en la presión de un fluido”. Se emplearon las técnicas de recolección de datos, observación, análisis de documentos. Se llegó a la conclusión de que las pérdidas de carga por fricción y locales afecta en la presión de un fluido. Como recomendaciones podemos decir que para la determinación de pérdidas de carga en tuberías se necesita de gran precisión, sobre todo un buen especialista en la materia ya que va a depender de la eficiencia que tengamos en laboratorio al calcular los datos de los ensayos realizados en el proyecto, al mínimo erros cometido en laboratorio este será mucho mayor al momento de llevarlo al campo o la obra que se requiera.

Abstract The problematic situation at the local level are not very high because of the flatness of the area and there is a big gap. Lambayeque is a very hectic process in its development, which makes every day we see more construction of buildings anywhere in the city, but today is declining by insufficient water can reach the desired service

points.

Faced with this problem we have considered the following problem. How to determine the friction losses and local load losses with the team FME 03 Bernoulli? The justifications for the resolution of the problem raised are of technological, environmental and socio-economic well we have proposed a hypothesis: "Get quantifiable data on the experiments performed with different flow rates." Our aim: "To determine how the friction losses and local affects the fluid pressure." Techniques of data collection, observation, document analysis were used. It is concluded that the friction losses and affects local pressure in a fluid. As recommendations we can say that for the determination of losses in pipes need high precision, especially a good specialist in the field as it will depend on the efficiency that we have in the laboratory to calculate the data of studies in project, at least in laboratory committed erros this will be much higher when you take it to the field or the work required.

INTRODUCCION La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción representa la pérdida de energía de un flujo hidráulico a lo largo de la misma por efecto del rozamiento. Las pérdidas de cargas locales dependen de las características de cada singularidad, válvula, codo, etc. En este ensayo aplicaremos o ejecutaremos las pérdidas de cargas locales que por medio de ciertos equipos empezando por el banco hidráulico, probetas, cronómetro, y lo más importante para realizar este ensayo el equipo de Perdidas de cargas Locales, hallaremos como principal meta las pérdidas de cargas locales utilizando su fórmula dada en teoría hidráulica. Además en este laboratorio se examinan los conceptos básicos de la medida de caudal y las características de los instrumentos de medida. Se anota que, los términos caudal, gasto y descarga son sinónimos. Anotaremos los respectivos caudales, para ello debemos de obtener los volúmenes y los tiempos hallados para lógicamente encontrar los gastos. Para este laboratorio de Pérdidas de cargas Locales que vamos a determinar no solo son caudales sino también las respectivas alturas de los componentes que conforman al equipo de pérdidas de cargas locales: El codo Largo, Ensanchamiento, Contracción, Codo Medio, Codo Corto, y el Inglete.

Midiendo mediante los tubos

piezométricos la presión aguas arriba y aguas abajo del ensanchamiento, y aguas arriba y aguas debajo de los codos, y el inglete y también conocido el caudal que fluye por el conducto, es posible obtener la variación de la pérdida de carga que producen dichos elementos frente al caudal, tras despejar hf.

CAPÍTULO II PLAN DE INVESTIGACIÓN

II. PLAN DE INVESTIGACIÓN 2.1. Planteamiento del problema 2.1.1. Situación problemática 2.1.1.1 A nivel internacional La conducción del agua en un sistema de tuberías genera pérdidas de carga por fricción y perdidas locales generando también pérdidas de presión en un fluido, y a nivel internacional se puede determinar cuya perdida, gracias al avance de la tecnología en los diferentes equipos como el equipo de FM3 BERNOULLI. 2.1.1.2 A nivel nacional Las pérdidas de carga en las tuberías a nivel nacional son de suma importancia ya que el relieve del Perú es muy accidentado, por ende no se debe obviar en los aspectos de cálculo al momento de diseñar un proyecto. Esto se presenta debido a que Perú es un país que anteriormente no se tomaba en cuenta las pérdidas de carga en las zonas de la serranía peruana, por lo que al momento de ejecutar el proyecto se producía problemas de presión en el fluido. 2.1.1.3 A nivel local Las pérdidas de carga a nivel local no son muy altas debido a la llanura de la zona y no existe una deficiencia muy grande. Pero se debe tomar en cuenta estas pérdidas de carga, ya que estas son producidas por los elementos del mismo sistema por el cual el agua se desplaza, que pueden ser los mismos accesorios como una tee, un codo de 95° de 45°, válvulas, etc. Estos elementos producen perdidas llamadas perdidas locales, además experimentas perdidas por fricción que se debe a lo largo de sus sistema de tuberías que es la oposición o la resistencia que tiene el agua a fluir

y al no tomar estas pérdidas

podríamos tener problemas con el desplazamiento del fluido, que puede ser en el peor de los casos que el fluido no llegue a su punto de salida y esto ocasiona serios

problemas en obra.

2.1.2. Formulación del problema

¿Cómo determinar las pérdidas de carga por fricción y pérdidas de carga locales con el equipo FME 03 BERNOULLI? 2.1.3. Justificación e importancia Esta investigación se realiza para determinar cuánto es la cantidad de fluido que se pierde durante el recorrido del agua en una edificación debido a las pérdidas de cargas locales y perdidas de carga por fricción, producidas o experimentadas en el sistema de tuberías de agua potable, y por ende tener un valor numérico aproximado de cuanto es la pérdida del fluido en dicho sistema y debido a estas imperfecciones plantear una solución para reducir o controlar dicha perdida. Mediante el estudio de las pérdidas de cargas de un fluido

se tratara de ver cómo

obtener la menor cantidad de pérdidas de carga tanto locales como por fricción, para obtener una mejor presión del fluido de manera que no cause problemas futuros en la edificación, y evitar las molestias e incomodidades de los habitantes. Esta investigación será de gran ayuda ya que nos permitirá evaluar el comportamiento de un fluido a fluir, con los diferentes gastos aplicado para cada uno de los ensayos. Con el equipo FME 03 Bernoulli además de determinar las pérdidas por fricción y perdidas locales en las tuberías, también nos describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente, de esa manera poder determinar el tipo de flujo. Al estimar adecuadamente las pérdidas de carga se podrá obtener datos precisos para el diseño del proyecto evitando de esa manera que las pérdidas de carga no afecten en la ejecución de la obra brindándoles una mejor calidad de vida a las personas.

2.1.4. Objetivos Objetivo general Determinar de qué manera las pérdidas de carga por fricción y locales afecta en la presión de un fluido. Objetivos específicos

1. Analizar las pérdidas de carga locales en los diferentes cambios de sección. 2. Analizar las pérdidas de carga por fricción que se presentan a lo largo de un conducto. 2.2.

Marco teórico

Perdidas de cargas locales Los fluidos en movimiento o flujo interno forman parte básica para la producción de servicios dentro de las actividades industriales, residenciales y comerciales La aplicación de la ecuación de Bernoulli para fluidos reales, entre 2 secciones de un mismo tramo de tubería es:

P1 V2 P V 2 +Z 1 + 1 = 2 + Z 2+ 2 + hp … … … … … … … … … …(1) Υ 2g Υ 2g Donde: Hp= hfp + hfs………………………………………..(2)

Donde:  

hfp = es la sumatoria de perdidas primarias o longitudinales hfs = perdida secundarias o locales por accesorios

Al hablar de pérdidas en tuberías lleva a estudiar los flujos internos que sean completamente limitaos por superficies solidas con un grado de rugosidad según el material el 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 por fricción Son ocasionadas por la fricción del flujo sobre las paredes del ducto y se manifiestan con una caída de presión. Empíricamente se evalúa con la fórmula de Darcy – Weisbach

hfp=

f ∗L∗V 2 g∗D

2

Dónde:

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 proporcional a la longitud de la tubería.

2.2.1. Antecedentes de la investigación Roberto Pizarro-Tapia, Rodrigo Valdés-Pineda, Claudio Olivares, Patricio A. González. (2014) Open Journal of Modern Hidrología (Revista abierto de hidrología Moderno) Predicción de inundaciones precisa es una herramienta importante para la gestión de riesgos y las obras hidráulicas de diseño en una escala de cuencas. El objetivo de este estudio fue para calibrar y validar modelos de regresión no lineales 24 lineal y, usando sólo datos aguas arriba para estimar en tiempo real las inundaciones aguas abajo. Cuatro puntos de estimación posteriores críticos en las cuencas de los ríos Mataquito y Maule ubicados en el centro de Chile fueron seleccionados para estimar los flujos pico utilizando datos de una, dos, o tres estaciones aguas arriba. Más de un millar de hidrogramas de tormenta en papel se analizaron manualmente para eventos de lluvias que se produjeron entre 1999 y 2006, con el fin de determinar los mejores modelos para predecir el flujo máximo aguas abajo. También se obtuvieron El índice de flujo máximo (IQP) (que se define como el cociente entre los datos anteriores y posteriores) y el tiempo de tránsito (TT) entre los puntos aguas arriba y aguas abajo y se analizaron para cada cuenca hidrográfica. Los coeficientes de determinación (R2), el error estándar de la estimación (SEE) y la prueba de Bland-Altman (ACBA) fueron utilizados para calibrar y validar la modelo más seleccionada en cada cuenca. A pesar de la alta variabilidad observada en los datos de flujo máximo, los modelos desarrollados fueron capaces de estimar con precisión los flujos pico aguas abajo usando solamente aguas arriba predicción flujo data.Accurate inundación es una herramienta importante para el diseño de la gestión de riesgos y las obras hidráulicas en una escala de cuencas.

Esta revista nos cuenta de cómo influye mucho las lluvias pueden causar en tiempo real una inundación aguas abajo y esto causa que las edificación colapsen de modo que si no se estudia previamente el caudal, el índice de flujo máximo, etc. Se puede evitar un desastre. AP García-Marín, J. Estévez, C. Sangüesa-Pool, R. Pizarro-Tapia, JL Ayuso-Muñoz y FJ Jiménez Hornero. (2014). Procesos Hidrológicos. El análisis de frecuencia regional de extrema datos de precipitación anual es una metodología útil en la hidrología de obtener ciertos valores cuantiles cuando no hay series de datos a largo están disponibles. El paso más importante en el análisis es la agrupación de sitios en regiones homogéneas. Este trabajo presenta un nuevo criterio de agrupamiento basado en algunas propiedades multifractal de datos de precipitación. Para ello, se ha realizado un análisis de frecuencia regional de los datos de precipitaciones anuales extremas de la Región del Maule (Chile). Series de datos de lluvia diaria de 53 emisoras disponibles se han estudiado, y sus momentos empíricos escalado funciones exponente K (q) se han obtenido. Dos características parámetros de las funciones K (q) (Maxand K (0) se han utilizado para agrupar las estaciones en tres regiones homogéneas. Sólo cinco sitios no han sido posibles incluir en cualquier región homogénea, siendo el análisis de la frecuencia local de la precipitación diaria extrema el método más apropiado para ser utilizado en estos lugares. En esta revista se analizan el comportamiento de precipitación anual para obtener valores concretos para sí determinar los valores máximos del caudal que cae en la región de Maule (Chile) Diaz y Ruiz de la Galarreta (2010) Impacto de la calidad del agua del acuífero en el cauce superficial, la mayoría de los trabajos publicados bajo este enfoque, plantean parte del estudio de la confianza de la configuración climática, midiendo los niveles del cauce superficial y del acuífero preferencial. Las mediciones se realizan a lo largo del tiempo, a

fin de observar variaciones en la relación de afluencia – efluencia, según cambios en los periodos secos y húmedos. La distancia y densidad de pozos es variable en cada estudio. Los trabajos se plantearon en diversos paisajes hidrológicos, y se observa que la relación de afluencia – afluencia es muy variable, tanto en magnitud, dirección y momento, debido a las diferentes combinaciones de los componentes hidrológicos Para este artículo está estudiando los niveles del cauce superficial y del acuífero preferencial, a lo largo del tiempo con el fin observar variaciones en la relación de afluencia.

2.2.2. Estado del arte Álava Ingenieros, compañía especializada en el suministro de alta tecnología e ingeniería para diferentes sectores y referente en el ámbito nacional y europeo en esta área, presentó en Genera, la Feria Internacional de Energía y Medio Ambiente, su extensa cartera de soluciones especializadas en el sector.

Álava Ingenieros, que está presentando su actividad en el sector a través del stand 6B23 ubicado en el pabellón 6, también ha dado a conocer su nueva línea de negocio especializada en el suministro de equipos y soluciones para el ámbito de la hidrometeorología, con productos y tecnologías que abarcan aspectos como el control remoto y monitorización de diversos parámetros del agua o la medida de indicadores meteorológicos. Para ello, la compañía cuenta con el apoyo de los más destacados socios tecnológicos del ámbito internacional, como Teledyne RDI, GE Druck, Measurement Specialties y Delta Ohm, entre otros. Entre las principales novedades que la compañía ha presentado en Genera 2014 destacan nuevos modelos y funciones de cámaras termográficas, correntímetros doppler

(ADCP), sondas multiparamétricas de calidad de agua, redes piezométricas, redes pluviométricas, estaciones meteorológicas, radiación solar, dataloggers y transmisión de datos e instrumentación ATEX Todo este valor añadido le permite desarrollar trabajos llave en mano en proyectos con las grandes compañías y multinacionales del ámbito de Energía y Medio Ambiente, como Gas Natural Fenosa, Endesa, Iberdrola, Eon, Energías de Portugal (EDP), Abengoa, las centrales nucleares de Vandellós, Ascó, Trillo, Cofrentes, y Almaraz; Enagás, Repsol, Petronor, Cepsa y BP Oil, entre otras.

2.2.3. Bases teórico científicas La mayor pérdida de carga en accesorios se da en las válvulas y la menor perdida de carga se da en los ensanchamientos de las tuberías, el cálculo de Km. Y la perdida de carga se puede obtener mediante fórmulas ya mencionadas.

Mediante el experimento o laboratorio hecho nos permite tener un concepto más claro y aplicativo de cómo encontrar las perdida de carga en accesorios y demás tener en cuenta que cuando nosotros diseñemos tuberías es importante considerar estas pérdidas ya que cuando mayor accesorios alla en el tramo de una tubería mayor será pedida local es por ello que hay que analizar distintos factores, ya sea topografía del terreno, el tipo de tubería ya sea pvc fierro galvanizado y además tener en cuenta que tenemos que considerar siempre un margen de error de ellas.

DESCRIPCIÓN DE BANCO HIDRÁULICO (Edibon, 2013) Equipo para el estudio del comportamiento de los fluidos, la teoría hidráulica y las propiedades de la mecánica de fluidos. Compuesto por un banco hidráulico móvil que se utiliza para acomodar una amplia variedad de módulos, que permiten al estudiante experimentar los problemas que plantea la mecánica de fluidos. Equipo autónomo (depósito y bomba incluidos). Innovador sistema de ahorro de agua consistente en un depósito sumidero de alta capacidad y un rebosadero que devuelve el excedente de agua a dicho depósito. Válvula de desagüe fácilmente accesible. Dispone de un depósito escalonado (volumétrico) para medir caudales altos y bajos, además de una probeta de un litro de capacidad para caudales aún más bajos. Tubo de nivel provisto de escala que indica el nivel de agua del depósito superior. Caudal regulado mediante una válvula de membrana. Pantalla amortiguadora de flujo para reducir el grado de turbulencia. Canal en la parte superior especialmente diseñado para el acoplamiento de los módulos, sin necesidad de usar herramientas. El montaje de los distintos módulos, sin necesidad de utilizar herramientas, asegura su simplicidad. Fabricado con materiales resistentes a la corrosión lo que garantiza una larga vida útil del equipo. Bomba centrífuga. Interruptor de puesta en marcha de la bomba, seguridad y piloto de encendido. Cada módulo se suministra completo y es de fácil y rápida conexión al banco, maximizando así el tiempo disponible para que el estudiante realice su experimento de demostración o medida. Utilizable con distintos Equipos del área de Mecánica de Fluidos.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO FME 03 BERNOULLI ESTE EQUIPO DEMUESTRA ESTOS DEOS PRINCIPIOS:  se aplica al flujo de un líquido a través de un conducto necesita que, para que el flujo sea constante que la velocidad sea inversamente proporcional al área del flujo.

 el segundo supone que si la velocidad se incrementa entonces la presión debe disminuir.

También puede usarse para examinar la aparición de turbulencias en un chorro de fluido que acelera y de determinar las pérdidas de carga en las tuberías.

Equipo FME 03 BERNOULLI existente en el laboratorio de hidráulica de la “USS”

DESCRIPCION DEL USO DE LA PROBETA Tubo de vidrio transparente, graduado con una escala de volumen 1000 (ml). La probeta o cilindro graduable es un instrumento volumétrico, que permite medir volúmenes considerables con un ligero grado de inexactitud. Sirve para contener líquidos. Está formado por un tubo generalmente transparente de unos centímetros de diámetro, y tiene una graduación (una serie de marcas grabadas) desde 0 ml (hasta el máximo de la probeta) indicando distintos volúmenes. En la parte inferior está cerrado y posee una base que sirve de apoyo, mientras que la superior está abierta (permite introducir el líquido a medir) y suele tener un pico (permite verter el líquido medido). Generalmente miden volúmenes de 25 ó 50 ml, pero existen probetas de distintos tamaños; incluso algunas que pueden

medir un volumen hasta de 2000 ml. Puede estar constituido de vidrio (lo más común) o de plástico.

DESCRIPCION DEL USO DEL CRONOMETRO Es un dispositivo para medir el tiempo. En el ensayo se utiliza para registrar el tiempo en el cual se obtiene un volumen de agua.

2.3 Bases teóricas científicas Determinación de caudales

Para la determinación de caudales es necesario conocer su volumen y tiempo y para ello se utiliza una probeta y un cronometro. Todo esto es importante para determinar el gasto necesario para posteriormente hallar la velocidad. Pero antes se debió hallar las alturas de los componentes de Perdidas de cargas Locales con la cual al restar sus alturas hallamos la variación de la perdida de carga, y en nuestro caso seria hf. Para determinar caudales, se sabe que el caudal es volumen sobre el tiempo, y se emplea la formula siguiente: Q= A V

En la cual despejando: Podemos hallar la velocidad: V=

Q A Caudal: es la cantidad de fluido que avanza en una unidad de tiempo. Se

denomina también "Caudal volumétrico" o "Índice de flujo fluido", que puede ser expresado en masa o en volumen.

Pérdida de carga: La pérdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las contiene. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc. Las pérdidas de carga son pérdidas de energía hidráulica esencialmente debidas a la viscosidad del agua y al rozamiento de ésta contra las paredes internas. Tienen por consecuencia:

Una caída de presión global, en una red a gravedad.

Un gasto adicional de energía para el bombeo en una cañería de impulsión. Para determinar el diámetro de una cañería de hierro fundido dúctil revestida interiormente con mortero de cemento, generalmente se adopta un coeficiente de rugosidad k = 0,1mm.

Las pérdidas de energía en una tubería se debe a: a) Choques o perturbaciones del flujo normal debidas a codos, curvas, cambios bruscos de sección, etc. b) Resistencia al flujo por rozamiento o fricción.

Perdida de cargas locales Además de la pérdida de carga por fricción también se presenta en la línea de impulsión pérdidas de carga denominadas locales producto del paso de flujo a través de los accesorios instalados en la línea y/o al cambio de dirección y/o sección en sus tramos. La determinación de las pérdidas locales son evaluadas, sólo en el caso de ser necesarias por la cantidad de accesorios o velocidades altas en la línea.

Dichas pérdidas de cargas locales o aisladas tienen un valor, cada una de ellas, que dependerá del tipo de obstáculo, del diámetro del tubo y de la velocidad del agua. Son valores muy variables para cada una, pues dependerá también, del estado del mecanismo o accesorios de que se trate, de la abertura en el caso de las válvulas, etc. Normalmente se expresan, dichas resistencias, en valores absolutos, (kg/cm² o metros de columna de agua), o en valores equivalentes de metros de tubería de igual diámetro. En una tubería las pérdidas de carga son continuas y locales. Las pérdidas de carga continuas son proporcionales a la longitud, se deben a la fricción y se calculan por medio de la fórmula de Darcy. Las pérdidas de cargas locales o singulares ocurren en determinados puntos de la tubería y se deben a la presencia de algo especial que se denomina genéricamente singularidad: un codo, una válvula, un estrechamiento, etc. Las pérdidas "menores" asociadas con los problemas en tuberías. Se considera que tales pérdidas ocurren localmente en el disturbio del flujo. Estas ocurren debido a cualquier disturbio del flujo provocado por curvaturas o cambios en la sección.

Son llamadas pérdidas menores porque pueden despreciarse con frecuencia, particularmente en tuberías largas donde las pérdidas debidas a la fricción son altas en comparación con las pérdidas locales. Sin embargo en tuberías cortas y con un considerable número de accesorios, el efecto de las pérdidas locales será grande y deberán tenerse en cuenta. Las pérdidas de cargas locales se expresan genéricamente en función de la altura de velocidad en la tubería: v2 hf =k 2g

Donde: Hf= es la perdida de carga local expresada en unidades de longitud. K= es un coeficiente de perdidas adimensional que depende de las características de la singularidad que genera la perdida de carga (codo, válvula, etc) así como del numero de Reynolds y de la rugosidad. V= es la velocidad media en la tubería. Donde se requiera hallar el valor de k solo se despeja quedándonos esta fórmula: k=

hf × 2 g 2 v

A las pérdidas de carga locales también se les denomina perdidas menores. Esto en razón que en tuberías muy largas la mayor parte de la perdida de carga es continua. Sin embargo en tuberías muy cortas las pérdidas de carga locales pueden ser proporcionalmente muy importantes.

Pérdidas de carga en ensanchamientos y codos Cualquier modificación en la forma geométrica de un conducto produce una pérdida de carga de carácter local cuando un fluido pasa a su través. Estas pérdidas de carga se denominan singulares. Este tipo de pérdidas singulares se producen, por ejemplo, en los casos del aumento de sección y del cambio de dirección (un codo) mostrados en la Figura 3. En el caso del ensanchamiento, estas pérdidas de carga son debidas a que el flujo se adapta a la nueva sección mediante una sucesión de remolinos, con lo que el exceso de energía cinética que hay en la sección 1 respecto a la que correspondería a la nueva sección 2, se disipa por la acción de la turbulencia. Es una situación equivalente a la de la zona posterior de la placa orificio (apartado anterior). En el caso de un codo brusco, la distribución transversal de velocidad deja de ser axisimétrica (aumenta la velocidad en la zona del conducto más

próxima al centro de curvatura), y nuevamente se produce una disipación de energía por remolinos turbulentos. Las pérdidas de carga secundarias, producidas en zonas localizadas de los conductos, se expresan en forma adimensional por el denominado coeficiente de pérdidas, K: Ensanchamiento súbito La pérdida que ocurre en la reducción brusca de diámetro, de una sección A1 a una sección A2 es dada por la siguiente fórmula:

2

( )

V H L =K 2 2g

Siendo el valor de K: K=

A2 4 1− 9 A1

( )(

)

Si la reducción de diámetro fuera gradual, la pérdida sería menor. En este caso, el valor de K, generalmente, está comprendido entre 0.04 y 0.15.

Ensanchamiento gradual Se comprueba experimentalmente que los valores de K dependen de la relación entre los diámetros inicial y final, así como también, la extensión de la pieza. Para las piezas usuales se tiene la siguiente fórmula:

2

(

2

V −V 2 H L =0.5 1 2g

)

Contracción súbita La pérdida de energía debido a una contracción súbita, se calcula a partir de la siguiente ecuación: 2

( )

V H L =K 2 2g

En dicha ecuación, 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 conductos y de la velocidad de flujo. El mecanismo mediante el cual se pierde energía debido a una contracción súbita es bastante complejo.

Contracción gradual La

pérdida

de

energía

en

una

contracción

puede

disminuirse

sustancialmente haciendo la contracción más gradual. La pérdida de energía se calcula con la siguiente fórmula: V 22 H L =K 2g

( )

El coeficiente de resistencia se basa en la cabeza de velocidad en el conducto menor después de la contracción.

Pérdidas para válvulas y codos Al igual que en los demás accesorios en estos se presentan perdidas de carga dependiendo en el caso de los codos si son codos cortos o los codos largos.

Movimiento del agua en tuberías rectas Régimen laminar

 el agua se desplaza en capas cilíndricas concéntricas al eje de la tubería  la velocidad decrece desde el eje a las paredes del tobo.  El rozamiento se da entre las capas de agua entre si y entre la más externa y la pared del tubo (velocidad mínima).

Régimen Turbulento

 Las partículas de agua no siguen trayectorias definidas, entrecruzándose.

 Gran rozamiento de las moléculas de agua contra las paredes del tubo.

El régimen del agua en las tuberías se ve influenciado por: N° de Reynolds (Re)

Rugosidad relativa de la tubería (e)

e=K/D

K=rugosidad absoluta

Analizando las pérdidas de carga en régimen turbulento, se puede decir:



Son inversamente proporcionales al diámetro de la tubería.



Son directamente proporcionales a la longitud de la tubería.



Dependen del tipo del material de la tubería.



Dependen de la edad y/o mantenimiento de la tubería.



Aumentan con el incremento del caudal.



Dependen de la viscosidad y densidad del fluido.



Son independientes de la presión en la tubería.

PERDIDAS DE CARGA  Fricción en tuberías rectas (hf)  Entrada en la tubería (he)  Ensanchamiento repentino (hse)  Contracción brusca (hc)  Cambios de dirección y obstrucción parcial (ha)

PERDIDAS DE CARGA DE DISTRIBUIDAS  Sistema cerrado

 Si abrimos toda la llave, toda la carga se agota por fricción.  Si cerramos parcialmente la llave, limitando el caudal a 0.013 metros

cúbicos por segundo.

 Existen numerosas expresiones de origen experimental para representar las pérdidas de carga en las tuberías, pero las dos más utilizadas son.

 La fórmula racional o de darcy – weisbach: Hf = f x (L/D) X ( V

2

/2g)

DONDE: V= velocidad (m/s) G = aceleración grav. (9.81 m ¿ s

2

)

F = coeficiente de fricción

 La misma fórmula de Dary – weisbach expresada en función del caudal:

Hf = 8.26 x

10−2 f (L/ D 5 ) Q2

El coeficiente de fricción depende de: 

Rugosidad relativa de la tubería (e)



N de Reynolds (Re)

EL VALOR DE F SE OBTIENE:  Del ábaco de Moody  De la fórmula de colebrook (necesita aproximaciones sucesivas)}  A través de la siguiente expresión

 Con esa fórmula se cometen errores inferiores al 1% con respecto a la −6 −2 fórmula de colebrook para las condiciones ( 10 ≤k / D≤ 10 con 5000

≤

Re ≤

10

8

)

CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO

CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 3.1 Tipo y diseño de la investigación La investigación diseñada es de tipo tecnológico – experimental 3.1.1 Área De Investigación: El área de investigación realizada es la rama de hidráulica. 3.1.2 Diseño de la investigación

En esta ocasión para el presente trabajo hemos tomado como diseño de investigación la parte experimental por los ensayos realizados en laboratorio.

3.2 Población y muestra La población y la muestra serán los ensayos.

3.3. Hipótesis Obtener datos cuantificables en los distintos ensayos con los diferentes caudales realizados. 3.4 Variables Variable Dependiente: Coeficiente de gasto “Q”.

Variable Independiente: perdidas de carga por fricción y locales.

3.5 Operacionalización de las variables

Variable independi ente Perdidas de carga por fracción, locales

Variable dependie nte

Dimensi ón

Coeficientes de gasto

Caudal

Dimensi ón

Indicadore s

Perdidas de carga

Indicador es

Índice s

Piezómetros

Ml

Volumen

m3

Tiempo

S

Sub Índices indicadore s Velocidad m/s longitud

m

fricción diámetro Área

Diámetro

mm

m2

Mm

TÉCNICAS DE RECOLECCIÓ N DE INFORMACIÓ N

INSTRUMEN TOS DE RECOLECCIÓ N DE LA INFORMACIÓ N

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

Observación de alturas Piezometrica

Análisis de medición y Recolección de datos. recolección de datos. Observación y Análisis del medición de volumen en volumen probetas y Recolección de datos. recolección de datos. Observación y Guía de análisis medición del de documentos Instrumentos Recolección de recolección la dede datos. tiempo y recolección de Técnicas de información datos. recolección de Análisis y Guía de análisis información cálculo dey las Observación análisisde documentos Guía de análisis de documentos y Recolección de datos. velocidades de documentos y recolección de recolección datos. Guía de análisis de datos Observación Guía de análisis de documentos y Análisisyyanálisisde documentos Recolección de datos de documentos cálculo del área. y recolección de recolección datos. Guía de análisis Análisis y de documentos medición del Recolección de datos y recolección de diámetro. datos.

Instrumentos de medición

Recolección de datos Recolección de datos

Coeficient e de fricción

adimension al

Observación y análisis de documentos

velocidad

m/s

Observación y análisis de documentos

gravedad

rugosidad

velocidad

locales

gravedad

m/s2

Observación y análisis de documentos

adimension al

Observación y análisis de documentos

m/s

Observación y análisis de documentos

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