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• Flavio Cesar Alvitez Vasquez

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INTRODUCCIÓN El fluido es un sistema de flujo donde pasa ante varios accesorios, válvulas, flexiones, codos, ramificaciones en forma de T (lo que llamamos conexiones en T), entradas, salidas, ensanchamientos y contracciones. Estos componentes hacen interrumpir el desplazamiento del fluido, provocando las pérdidas adicionales debido al fenómeno de separación y mezcla del flujo que producen.

Si habláramos que un fluido pase por un sistema típico, con tubos largos, estas pérdidas son menores en comparación con la pérdida de carga por fricción en los tubos (las pérdidas mayores) y se llaman pérdidas menores; como también hay el caso en que las pérdidas menores son más grandes que las pérdidas mayores, este es el caso en los sistemas con varias vueltas y válvulas en una distancia corta. Puesto que las pérdidas de carga que resultan de una válvula totalmente abierta, las pérdidas de carga suelen despreciarse, pero en una válvula que está parcialmente cerrada, podría provocar la pérdida de carga más grande en el sistema.

Las pérdidas menores se expresan en términos del coeficiente de pérdida KL (también llamado coeficiente de resistencia), que se define como:

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OBJETIVOS

Determinar experimentalmente las pérdidas que se producen en cada accesorio.

Determinar los factores de pérdida KL para cada accesorio.

Analizar el comportamiento del coeficiente KL en función del caudal.

Graficar y analizar la variación de la pérdida de carga.

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MARCO TEÓRICO La pérdida de energía que se produce en una instalación de tuberías (la llamada pérdida secundaria) se expresa comúnmente en términos de pérdida de carga (h, m) en la forma:

Donde: K: Coeficiente de perdida V: Velocidad del flujo en los accesorios. Debido a la complejidad del flujo de muchos accesorios, K es usualmente determinado por experimentos. Para el experimento del tubo, la pérdida de carga se calcula a partir de dos lecturas manométricas, tomadas antes y después de cada instalación, y K se determina como:

Debido al cambio en la tubería de la sección transversal a través de la ampliación y contracción, el sistema experimenta un cambio adicional en la presión estática. Este cambio se puede calcular como:

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PERDIDAS PRIMARIAS

Llamadas perdidas longitudinales o pérdidas por fricción, son ocasionadas por la fricción del fluido sobre las paredes del ducto y se manifiestan con una caída de presión. Empíricamente se evalúa con la fórmula de DARCY - WEISBACH:

Donde: 

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 proporcionales a la longitud de la tubería.

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PERDIDAS SECUNDARIAS También conocidas como perdidas locales o puntuales, las cuales son originadas por una infinidad de accesorios que se ubican dentro de un sistema de tuberías. La expresión para evaluar las perdidas secundarias ( en metros de columna del fluido) es la siguiente :

Donde K es la constante para cada accesorio y depende del tipo de accesorio, material y diámetro. Luego la longitud equivalente será:

La longitud equivalente se puede hallar en manuales y libros. En el equipo FME-05 de pérdidas de carga local estudia las pérdidas de energía cinética de un fluido que circula por una tubería. Estas se deben principalmente a variaciones

bruscas de velocidad causadas por:   

Cambios bruscos de sección. Perturbación del flujo normal de la corriente, debido a cambios de dirección provocadas por la existencia de un codo , curva , etc. Rozamiento o fricción.

Las pérdidas de carga que sufre un fluido al atravesar todos los elementos expresada en metros del fluido, puede calcularse con la siguiente expresión : Donde: K = coeficiente de pérdidas de carga. V = velocidad del fluido. ∆h = diferencia de altura manométrica. g = gravedad.

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ENSANCHAMIENTO SUBITO: Al fluir un fluido de un conducto de menor a uno mayor a través de una dilatación súbita, su velocidad disminuye abruptamente, ocasionando una turbulencia que genera una pérdida de energía. La cantidad de turbulencia, y por consiguiente, la cantidad de pérdida de energía, depende del cociente de los tamaños de los dos conductos. La pérdida menor se calcula de la ecuación:

Donde V1 es la velocidad de flujo promedio en el conducto menor que está delante de la dilatación. Al hacer ciertas suposiciones de simplificación respecto del carácter de la corriente de flujo al expandirse a través de una dilatación súbita, es posible predecir analíticamente el valor de k a partir de la siguiente ecuación:

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ENSANCHAMIENTO GRADUAL: Si la transición de un conducto menor a uno mayor puede hacerse menos abrupta que la dilatación súbita de bordes cuadrados, la perdida de energía se reduce. Esto normalmente se hace colocando una sección cónica entre los dos conductos, como se muestra en la siguiente figura. Las paredes en pendiente del cono tienden a guiar el fluido la desaceleración y expansión de la corriente de flujo.

La pérdida de energía para una dilatación gradual se calcula a partir de:

Donde v1 es la velocidad del conducto menor que está delante de la dilatación. La magnitud de K depende tanto de la proporción de diámetro D2 / D1 como del ángulo de cono, θ y D2 / D1.

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CONTRACCION SUBITA: La pérdida de energía debido a una contracción súbita, como la esbozada en la figura se calcula a partir de:

Donde 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 dos conductos y de la velocidad de flujo, como se muestra en la figura.

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CONTRACCION GRADUAL: La pérdida de energía en una contracción puede disminuirse sustancialmente haciendo la contracción más gradual. La figura muestra una contracción de este tipo, formada mediante una sección cónica entre los dos diámetros con cambios abruptos en las junturas. El ángulo Ѳ se denomina ángulo de cono.

COEFICIENTE DE RESISTENCIA PARA JUNTAS Y VALVULAS: Se dispone de muchos tipos diferentes de válvulas y juntura de varios fabricantes para especificaciones e instalación en sistemas de flujo de fluido. Las válvulas se utilizan para controlar la cantidad de flujo y pueden ser válvulas de globo, de ángulo, de mariposa, otros varios tipos de válvula de verificación y mucha más. El método para determinar el coeficiente de resistencia k es diferente. El valor de k se reporta en la forma:

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EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO 

Banco hidráulico F1-10

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Equipo de pérdidas de carga locales FME05

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MATERIALES A UTILIZAR EN EL ENSAYO 

Probeta

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Cronómetro

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Termómetro

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PARTES DE LA FME05 (PÉRDIDAS DE CARGA LOCALES)

El accesorio está diseñado para ser colocado en los canales laterales de la parte superior del canal banco hidráulico. Los accesorios siguientes están conectados en una configuración en serie para permitir una comparación directa:       

Curva larga 90º. Zona de ampliación. Zona de contracción. Codo 90º. Curva corta 90º. Válvula de ajuste. Inglete.

El caudal que pasa por el circuito es controlado por una válvula de control de flujo. Las tomas de presión en el circuito está conectado a un banco de doce manómetros, que incorpora una válvula de aire de entrada / salida en la parte superior del colector. Un tornillo de purga de aire facilita la conexión a una bomba de mano. Esto permite que los niveles en los manómetros se ajusten a un nivel conveniente para adaptarse a la presión estática del sistema. Una pinza que cierra las tomas en el inglete es introducido cuando los experimentos en la válvula de ajuste es requerida. Un medidor de presión diferencial da la lectura directa de las pérdidas a través de la válvula de compuerta.

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