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• Pame Sepúlveda

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Introducción

El Aparato de Reynolds ha sido ideado con el propósito de servir como ayuda didáctica para el estudiante de temas relacionados al transporte de líquidos en conductos cerrados. El aparato permite reproducir el experimento mediante el cual Osborne Reynolds pudo observar la existencia del flujo laminar y el flujo turbulento para un mismo fluido que es transportado bajo diferentes condiciones. La realización de este experimento le permitirá al estudiante observar el aspecto de un flujo laminar y uno turbulento y podrá asociar la experiencia observada con los conocimientos teóricos previa o posteriormente adquiridos. En este manual de procedimientos se mostrara el equipo de Reynolds con sus características principales explicando y dando a conocer como se utiliza y la función de las partes que componen éste sistema.

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Conformación del equipo y función

El encendido del equipo consta de un panel de luz, que sirve solamente para ver mejor el contraste de la gota de tinta que cae debido a la gravedad por el tubo de acrílico, éste se enciende por medio de un enchufe. Entrada del equipo; constituye de una llave de rueda conectado al suministro de agua potable, el cual después de abrirla cae al estanque por medio de la válvula de admisión lateral con flotador, llenándose así el Encendido y Entrada del equipo

Válvula de admisión lateral con flotador, esta válvula permite que el Válvula de admisión lateral con flotador estanque se llene de agua y permite que el estanque no se derrame por medio de una manguera conectada al desagüe del equipo, este dispositivo también tiene la función de mantener el estanque en constante y lleno el 2

Estanque, éste depósito de agua cumple la función de almacén momentáneo de agua potable, durando solamente el ensayo a realizar. Es en este sistema donde se encuentran la mayoría de los demás dispositivos y uno de los más importantes para realizar el experimento. Estanque

Rotámetro; su función en el equipo es en la entrada y salida del equipo, Rotámetro este aparato permite que el fluido entre a una velocidad constante y que se desee el ritmo de descarga del sistema. Estanque de tinta, este depósito El rotámetro constade dealmacén 0.5 – 4 litros cumple la función de azul por o también 0.2cual – 1 galones de minuto metileno diluido el funciona por minuto. como tinta, para realizar la prueba.

Estanque de tinta

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Dosificador Dosificador; dispositivo que funciona como una especie de jeringa la cual suelta de gota en gota la tinta, para que así se forme la corriente de flujo y que se cree flujo laminar o turbulento, dependiendo del la apertura y los litros por minuto que se disponga en el rotámetro.

Función del equipo Aparato de Reynolds

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Flujo turbulento; éste fenómeno se da a causa de la velocidad que se coloque el rotámetro, directamente proporcional al aumento del rotámetro siendo el máximo de 4 litros/min y al flujo turbulento.

El equipo funciona en modo vertical. Un tanque de carga que contiene material de amortiguación proporciona una carga constante de agua a través de una entrada en forma de campana al tubo de visualización de flujo. El flujo a través de este tubo es regulado mediante una válvula de control (Válvula de admisión lateral con flotador) en el extremo de descarga. El caudal de agua a través del tubo puede ser medido usando el tanque volumétrico (o el cilindro medidor) llamado rotámetro. La velocidad del agua puede ser determinada entonces para permitir el cálculo del número de Reynolds. El equipo utiliza una técnica de inyección de tinte azul (azul de metileno), con el fin de permitir la observación de las condiciones de flujo.(Flujo Laminar o Turbulento)

Antecedentes técnicos

E specificaciones: 5

Alto del equipo: 2.40 m Largo estanque: 0.55 m Ancho del estanque: 0.41 m Capacidad del depósito de agua: 28 litros Peso aproximado: 35.0 Kg. Consumo máximo de agua aproximado: 4 lts/min Diámetro interior del tubo: 10 cm Diámetro del tubo por fuera: 13 cm Longitud del tubo: 1.37 m Capacidad del depósito de tinte: 0,45 litros

E structura: - Estructura soporte de fierro. - Tubo de acrílico. - Inyector de tinta construido en tubo de cobre. - Cilindro de columna constante construido en tubo acrílico de 1.37 m, con soportes plásticos en ambos extremos. - Difusor y tubo para desalojo de excedentes construidos en tubo de cobre. - Válvulas de agua para la dosificación de tinta y agua. - Acabado de cromo y níquel para las piezas metálicas.

Manual 6

1°, conecte el equipo a la fuente de corriente, y encender. 2°, Se debe verificar que la entrada este correctamente conectada al suministro de agua potable. 3°, compruebe que el estanque de tinta, contenga azul de metileno diluido. 5°, cierre el rotámetro a 0 litros por minuto, para llenar el estanque con agua. 6°, luego que esté lleno el estanque hasta donde se desee, cierre la llave de agua y el rotámetro a la velocidad que requiere el experimento. 7°, abrir el dosificador con tinta para dejar caer la gota de tinta. 8°, una vez que caiga la gota, observe si es flujo laminar o turbulento. 9°, para cambiar el flujo se debe regular por medio del rotámetro, mientras más litros por minutos fluya el fluido tiende a hacer turbulento. 10°, luego de realizar el experimento, se debe descargar el equipo evacuando el agua por medio del rotámetro al abrirlo al máximo que son 4 litros por minuto.

Precauciones -

Verifique que la tinta este en buen estado.

-

Al mantener la llave abierta de la entrada del sistema, mantener el rotámetro abierto, para que circule el agua y no se llene el estanque.

-

Verifique que el estanque de tinta no tenga fugas, para que no estropee el experimento.

-

Corrobore que el rotámetro funcione correctamente a la presión que se desea calibrar.

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-

Confirme que el desagüe del sistema este bien conectado para evitar accidentes.

Ejemplos Determinar los flujos de alimentación de agua necesarios para obtener dos flujos laminares, dos de transición y dos turbulentos, ¿Cuál debe ser la velocidad de llenado del tanque de descarga para cada tipo de flujo? velocidades de llenado del tanque para diferentes Reynolds

régimen

RE (-) V tubo (m/s) 1500 0.0593 2000 0.0791 2150 0.0851 3500 0.1385 5000 0.1978 1000 0.0396

laminar transición turbulento

V tanque (m/s) 0.0009 0.0012 0.0012 0.0020 0.0029 0.0006

Los valores obtenidos en el trabajo fueron calculados considerando que: A tanque x V

tanque

=A

tubo

x V tubo

Datos tiempo [s]

altura [m]

1 laminar

30

0.0230

2

30

0.0060

3

30

0.0350

4 transición

30

0.0440

5

30

0.0510

6 turbulento

30

0.4220

corrida

régimen teorico

8

7

30

0.2940

8

30

0.0680

En este caso se fijo un tiempo de 30 segundos para cada corrida y se abrió el rotámetro a una velocidad desconocida, el procedimiento se realizó aproximando flujos en la zonas laminar, de transición y turbulento. Una vez fijado el flujo se midió la altura de llenado del tanque, con lo que es posible calcular la velocidad del líquido en el tubo y el número de Reynolds. De esta forma se verificará que el flujo fijado este dentro del régimen deseado. Velocidades máximas y mínimas del fluido en el tubo de vidrio para cada régimen de flujo. régimen laminar transició n turbulent o

V tubo RE (-) (m/s) V tanque (m/s) 0 0.0000 0.0000 2099 0.0830 0.0012 2100 4000

0.0831 0.1581

0.0012 0.0023

4001 0.1583 0.0023 infinito infinito infinito infinito

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Explicación y clasificación de flujo laminar y turbulento

Cuando entre dos partículas en movimiento existe gradiente de velocidad, o sea que una se mueve más rápido que la otra, se desarrollan fuerzas de fricción que actúan tangencialmente a las mismas. Las fuerzas de fricción tratan de introducir rotación entre las partículas en movimiento, pero simultáneamente la viscosidad trata de impedir la rotación. Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se pueden producir diferentes estados de flujo. Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la de fricción, las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero con muy poca energía, el resultado final es un movimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas, y todas las partículas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria. Este tipo de flujo fue identificado por O. Reynolds y se denomina “laminar”, queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en forma de capas o láminas. Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre partículas vecinas al fluido, y estas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las partículas cambian de trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas chocan entre sí y cambian de rumbo en forma errática. Éste tipo de flujo se denomina "turbulento". El flujo "turbulento" se caracteriza porque: Las partículas del fluido no se mueven siguiendo trayectorias definidas. • La acción de la viscosidad es despreciable. • Las partículas del fluido poseen energía de rotación apreciable, y se mueven en forma errática chocando unas con otras. •

10

•

Al entrar las partículas de fluido a capas de diferente velocidad, su momento lineal aumenta o disminuye, y el de las partículas vecina la hacen en forma contraria.

Cuando las fuerzas de inercia del fluido en movimiento son muy bajas, la viscosidad es la fuerza dominante y el flujo es laminar. Cuando predominan las fuerzas de inercia el flujo es turbulento. Osborne Reynolds estableció una relación que permite establecer el tipo de flujo que posee un determinado problema. Para números de Reynolds bajos el flujo es laminar, y para valores altos el flujo es turbulento. O. Reynolds, mediante un aparato sencillo fue el primero en demostrar experimentalmente la existencia de estos dos tipos de flujo. Mediante colorantes agregados al agua en movimiento demostró que en el flujo laminar las partículas de agua y colorante se mueven siguiendo trayectorias definidas sin mezclarse, en cambio en el flujo turbulento las partículas de tinta se mezclan rápidamente con el agua. Experimentalmente se ha encontrado que en tubos de sección circular cuando el número de Reynolds pasa de 2400 se inicia la turbulencia en la zona central del tubo, sin embargo este límite es muy variable y depende de las condiciones de quietud del conjunto . Para números de Reynolds mayores de 4000 el flujo es turbulento. Al descender la velocidad se encuentra que para números de Reynolds menores de 2100 el flujo es siempre laminar, y cualquier turbulencia es que se produzca es eliminada por la acción de la viscosidad. El paso de flujo laminar a turbulento es un fenómeno gradual, inicialmente se produce turbulencia en la zona central del tubo donde la velocidad es mayor, pero queda una corona de flujo laminar entre las paredes del tubo y el núcleo central turbulento. Al aumentar la velocidad media, el espesor de la corona laminar disminuye gradualmente hasta desaparecer totalmente. Esta última condición se consigue a altas velocidades cuando se obtiene turbulencia total en el flujo. Para flujo entre placas paralelas, si se toma como dimensión característica el espaciamiento de éstas, el número de Reynolds máximo que garantiza flujo laminar es 1000. Para canales rectangulares anchos con dimensión característica la profundidad, este límite es de 500; y para esferas con el diámetro como dimensión característica el límite es la unidad. 11

Regímenes de flujo

Comportamiento del líquido a diferentes velocidades

Distribuciones típicas de velocidad Anexos FICHA TÉCNICA: AZUL DE METILENO CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BIEN

Denominación del bien

: AZUL DE METILENO

Denominación técnica

: CLORURO DE METILTIONINA

Segmento 12/Familia 35/ Clase 22 ONU

:

Nombre del Bien en el Catalogo ONU

:

Código ONU

:

Unidad de medida

: Litro (l)

Anexos adjuntos

:

Descripción General

: Esta sustancia tiene forma de cristales o polvo cristalino y presenta un color verde oscuro, con brillo bronceado. Es 12

Inodoro y estable al aire. Sus soluciones en agua o en alcohol son de color azul profundo. Es fácilmente soluble en el agua y en cloroformo; también es moderadamente soluble en alcohol. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA FICHA

Versión

:

Estado

:

Periodo para recibir sugerencias : Fecha de inscripción en el SEACE :

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL BIEN

Formula Molecular:

C16 H18 Cl N3 S.

Masa Molecular: 319,85 g/mol Características físicas: Grado de Pureza: 99.5% Aspecto físico:

Líquido

Color:

azul-verdoso (en solución)

Olor:

Inodoro

Punto de fusión: 100 - 110° C Punto de ebullición:

Se descompone

Solubilidad: Soluble en el agua y en cloroformo; también es moderadamente soluble en alcohol. Propiedades 1.- En Medicina, el azul de metileno se usa como pintura ciertas partes del cuerpo, antes o durante la cirugía. 13

para teñir

2.- Su uso principalmente como antiséptico y cicatrizante interno, y muchas veces se usa en las observaciones en el microscopio en las labores en laboratorio. 3.- Las soluciones del azul de metileno tanto en agua como en alcohol son de color azul profundo. 4.- Estas soluciones pueden combinarse en, agua y cloroformo, también moderadamente en alcohol. 5.- Por ser un colorante de contraste se puede teñir cualquier estructura.

Incompatibilidad (sustancias a evitar) Agentes oxidantes fuertes, Agentes reductores fuertes, Alcalis, Dicromatos, Yoduros (alcalinos)

Descomposición de componentes peligrosos Oxidos Nitrosos(NOx), Óxidos de Carbono(COx), Óxidos de Azufre(SOx) REQUISITOS No existe normativa legal CERTIFICACION Obligatoria OTRAS ESPECIFICACIONES Presentación: Presentación

Gramos (gr)

Mililitros (ml)

Frasco

10

500

Frasco

25

1000

Frasco

50

Frasco

100

Rotulado El rotulado se efectuará de la siguiente manera: 14

1.- Nombre del producto, Grado y Pureza 2.- El producto, azul de metileno debe llevar su etiqueta en cada frasco o lata, indicando el contenido. 3.- El Nombre del fabricante debe estar en un lugar visible en la etiqueta. 4.- El Nombre del Proveedor deberá estar grabado en un lugar visible en la caja o cajón donde se transporte. 5.- El número del documento que certifica la inspección del producto. 6.- Advertencias de seguridad en el manipuleo 7.- Fechas de: fabricación y de vencimiento. 8.- En la etiqueta cada frasco o lata debe tener impreso los datos de los componentes del producto.

Usos Polvo, para uso de Laboratorio, frasco con cierre hermético, no reenvasado, tiempo de expiración no menor de dos años.

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