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• Omar Gutti

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“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”

Universidad Nacional del Callao

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA CURSO

:

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA I

PROFESOR

:

TEMA

RÉGIMEN DE FLUJO – CUBA DE REYNOLDS

CICLO

:

:

DIAZ CORDOVA ZOILA

VII

ALUMNOS : GUTIERREZ PAUCAR, OMAR 090840D

Bellavista – Callao 2013

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA I

I.

INTRODUCCIÓN

Cuando un líquido fluye en un tubo y su velocidad es baja, las moléculas se mueven en capas concéntricas paralelas a lo largo del eje del tubo; a este régimen se le conoce como “flujo laminar”. Conforme aumenta la velocidad y se alcanza la llamada “velocidad crítica”, el flujo se dispersa hasta que adquiere un movimiento de torbellino en el que se forman corrientes cruzadas y remolinos; a este régimen se le conoce como “flujo turbulento”. El paso de régimen laminar a turbulento no es inmediato, sino que existe un comportamiento intermedio indefinido que se conoce como “régimen de transición”. Si se inyecta una corriente muy fina de algún líquido colorido en una tubería transparente que contiene otro fluido incoloro, se pueden observar los diversos comportamientos del líquido conforme varía la velocidad. Cuando el fluido se encuentra dentro del régimen laminar (velocidades bajas), el colorante aparece como una línea perfectamente definida, cuando se encuentra dentro de la zona de transición (velocidades medias), el colorante se va dispersando a lo largo de la tubería y cuando se encuentra en el régimen turbulento (velocidades altas) el colorante se difunde a través de toda la corriente. Para el flujo laminar, la curva de velocidad en relación con la distancia de las paredes es una parábola y la velocidad promedio es exactamente la mitad de la velocidad máxima. Para el flujo turbulento la curva de distribución de velocidades es más plana (tipo pistón) y el mayor cambio de velocidades ocurre en la zona más cercana a la pared.

II.

OBJETIVOS

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA I

  

Conocer el manejo de la cuba de Reynolds Observar el tipo de flujo, laminar o turbulento. Determinar el número de Reynolds

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Fluido Fluido pueden ser líquidos o gases, son sustancias que se deforman continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. Entre sus propiedades tenemos: isotropía, viscosidad, movilidad, compresibilidad. Los líquidos se diferencian de los gases en su densidad, otra diferencia de los gases seria que los gases se comprimen con facilidad mientras que los líquidos se comprimen poco.

Fluido ideal Es un fluido de viscosidad nula, incompresible y mediante el cual un cuerpo se puede mover en el sin experimentar resistencia alguna. La resultante de las fuerzas que el fluido ejerce sobre un cuerpo sumergido en el, en la dirección normal como en la dirección del movimiento son miles. Un fluido ideal no existe en la naturaleza pero su estudio teórico conduce a las leyes que son aplicadas a los líquidos reales.

Densidad En física y química es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de sustancia, su unidad en el sistema internacional es Kg/m3.

Velocidad media Velocidad media o promedio es la velocidad en un intervalo de tiempo dado. Se calcula dividendo el desplazamiento entre el tiempo.

Viscosidad Es una propiedad distinta de los fluidos. Está ligada a la resistencia que opone un fluido a deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Es decir la viscosidad expresa la resistencia del fluido a dejarse cortar o separar. Es una propiedad dependiente del fluido.

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Flujo laminar y turbulento Cuando el gradiente de velocidad es acusado, pero las velocidades bajas en valor promedio (por ejemplo en las zonas de capa límite adyacentes a un contorno rígido o en el flujo por una tubería a baja velocidad), las fuerzas viscosas predominan sobre las de inercia. En este caso el movimiento está controlado por las fuerzas viscosas de cohesión de unas partículas con otras, que impiden que pueda haber cambios bruscos de posición relativa. Cualquier perturbación impuesta sobre el flujo principal es rápidamente atenuada por las fuerzas viscosas, y el resultado final es un movimiento en el que las partículas siguen trayectorias definidas: todas las partículas que pasan por un determinado punto en el campo de flujo siguen la misma trayectoria. Este es pues el tipo de flujo denominado laminar (pues las partículas se desplazan en forma de capas o láminas). Cuando se tiene un gradiente de velocidad pero con zonas de alta velocidad, las fuerzas viscosas pierden valor relativo respecto a las fuerzas de inercia. En estas condiciones una perturbación que altere puntualmente el equilibrio entre la rotación relativa alrededor de cada partícula y la deformación propiamente dicha ya no logra ser atenuada por las fuerzas viscosas, sino que crece y da origen a un remolino arrastrado por la corriente. A su vez la presencia de un remolino supone nuevos gradientes de velocidad, por lo que a partir de ese remolino se pueden originar otros remolinos de tamaño más pequeño. El proceso de generación de nuevos remolinos de menor escala finaliza al alcanzar tamaños en los que los gradientes de velocidad asociados (que crecen al disminuir la escala de los remolinos) se corresponden con fuerzas viscosas dominantes sobre las de inercia; estas escalas de tamaño mínimo reciben el nombre de escalas de Kolmogorov, tras los trabajos del científico ruso Andrei Nikolaevich Kolmogorov publicados en 1941. Así pues el flujo pasa a estar compuesto por un movimiento en la dirección principal más una sucesión de remolinos de distintas escalas superpuestos entre sí, de modo que cada partícula ya no realiza una trayectoria rectilínea, sino que su rumbo se ve continuamente alterado por la sucesión de remolinos. Este es el tipo de flujo denominado turbulento.

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Número de Reynolds Las investigaciones de Osborne Reynolds han demostrado que el régimen de flujo en tuberías, es decir, si es laminar o turbulento, depende del diámetro de la tubería, de la densidad y la viscosidad del fluido y de la velocidad del flujo. El valor numérico de una combinación adimensional de estas cuatro variables, conocido como el número de Reynolds, puede considerarse como la relación de las fuerzas dinámicas de la masa del fluido respecto a los esfuerzos de deformación ocasionados por la viscosidad. El número de Reynolds es:

Número de Reynolds crítico Las aplicaciones prácticas involucran flujos que se encuentran bien dentro del rango laminar o bien dentro del turbulento, por lo que la existencia de dicha región de incertidumbre no ocasiona dificultades. Si se encuentra que un flujo se encuentra en un sistema se halla en la región critica, la práctica usual es cambiar la tasa de flujo o diámetro de tubo para que sea bien laminar o turbulento para realizar cálculos más precisos.

Pérdida por fricción en fl ujo laminar Cuando existe un flujo laminar el fluido parece que se mueve en capas, una sobre la otra, debido a la viscosidad se presentan fuerzas de fricción entre sus capas generando perdidas de energías. Debido que el flujo laminar es tan ordenado es posible una relación entre la energía perdida y otros parámetros del fluido. Dicha relación es Hagen- poiseville.

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Sin embargo también se puede usar la ecuación de darcy:

Si igualamos ambos despejando el factor de fricción:

Pérdida por fricción en fl ujo turbulento En este caso es mejor usar la ecuación de darcy y debemos recurrir a datos experimentales.

IV. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ¿Qué diferencias habrá entre un régimen de flujo y otro y que tanto influye en esto en número de Reynolds?

Hipótesis Un fluido se comporta laminar cuando su número de Reynolds es menor a 2100 y será turbulento cuando este sea mayor a 4000.

V.

EQUIPOS Y MATERIALES    

Cuba de Reynolds Fluoroseina sódica Probeta de 1lt Cronometro

VI. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL  

Llenar la cuba de Reynolds con agua y esperar que cese cualquier clase de movimiento que en el momento este predominando. Medir el diámetro de la tubería del vidrio.

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 

  

Medir la temperatura del agua a fin de conocer sus propiedades fisicoquímicas. Colocar el colorante en el depósito y ajustar la válvula de este de tal manera que el flujo del colorante es el mínimo posible y no altere el régimen que se espera obtener.

Aperturar simultáneamente la válvula que inyecte fluoroseina con la válvula de descarga del fluido y observar el primer comportamiento. Abrir ligeramente un poco más la válvula de descarga y observar el segundo comportamiento. Por último abrir más la válvula y observar el tercer y último comportamiento, midiendo el caudal con una probeta y el cronometro en los tres casos.

VII. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

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El agua se utilizo a una temperatura de 19.5°c

Ρ = 998.39 Kg/m3 µ = 0.0010155 Kg/m.s 1° régimen: laminar Volumen(ml)

Tiempo(seg)

400 355 320 Vprom=358.33

10.35 10.41 10.17 T prom = 10.31

Flujo volumétrico(m3/seg) 0.000038647 0.0000341 0.0000314651 V°prom = 0.0000347374

Diámetro del tubo = 1cm

Atubo = π = 0.00007854m2 νprom= = 0.442289m/s N°Re== 4348.37 2° régimen: transitorio Volumen(ml)

Tiempo(seg)

530 525 538 Vprom=531

10.26 10.55 10.65 T prom = 10.4867

Flujo volumétrico(m3/seg) 0.000051657 0.000049763 0.000050516 V°prom = 0.0000506453

Diámetro del tubo = 1cm Atubo = π = 0.00007854m2 νprom= = 0.64483m/s N°Re== 6339.65 3° régimen: turbulento Volumen(ml)

Tiempo(seg)

759 657 772 Vprom=729.33

10.2 9.9 10.1 T prom = 10.1

Diámetro del tubo = 1cm

Flujo volumétrico(m3/seg) 0.0000744 0.0000766 0.0000764 V°prom = 0.0000758

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA I Atubo = π = 0.00007854m2 νprom= = 0.96511m/s N°Re== 9488.49

VIII.

CONCLUSIONES

De esta experiencia se puede concluir que efectivamente conforme se le aumenta la velocidad, es decir al aperturar mas la llave el numero de Reynolds aumenta y con ello también aumenta la turbulencia, sin embargo al calcular el valor del numero de Reynolds no coincidieron con el tipo de régimen observado y esto posiblemente debido a una mala lectura del tiempo y/o volumen.

IX. RECOMENDACIONES 



X.   

Usar instrumentos de medición confiables como un cronometro ya que el uso de este reduciría el error que se pudiese obtener en una experiencia. Tener cuidado en manipular los instrumentos en el laboratorio ya que muchos de ellos son delicados.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Mecánica de fluidos: Robert Mott 6ta edición, pag 230 Mecánica de fluidos Merler C Potter, pag 222 www.wikipedia.com