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MECANICA DE FLUIDOS II

I.

Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Urbanismo

Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Urbanismo Escuela de Ingeniería Civil

Escuela Profesional Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Urbanismo Escuela Profesional de Ingeniería Civil INFORME DE LABORATORIO Nº 3 –PERDIDA DE CARGA LOCALES ALUMNOS

:

Castro Chuyo Leydy Coronado Santisteban Deark Ramírez Silva Vanessa

ASIGNATURA: Mecánica de Fluidos II PROFESOR

: Ing. ING. ZELADA ZAMORA WILMER MOISES.

SECCION

:

“B” FECHA DE PRESENTACION: 10 de Octubre del 2017

MECANICA DE FLUIDOS II

INTRODUCCION

El flujo de un líquido en una tubería sufre pérdida de energía debido a la fricción entre el líquido y las paredes de la tubería y a los accesorios que se emplean en ésta. Ésta se conoce habitualmente como pérdida de carga. En el caso de tuberías horizontales, la pérdida de carga se manifiesta como una disminución de la presión en el sentido del flujo. La pérdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de energía dinámica del fluido debida a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las contiene.

Pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidental o localizada, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc.

Las pérdidas locales pueden ser despreciadas en las tuberías largas, cuya extensión supere 4000 veces el diámetro. Se desprecian todavía en las tuberías en que la velocidad es baja y el número de piezas especiales no es grande. Así por ejemplo, las pérdidas locales no son tomadas en cuenta en los cálculos de las líneas de conducción, redes de distribución, etc.

Es importante considerar las pérdidas de descarga, tratándose de tuberías cortas, así como de tuberías que incluyen gran número de piezas especiales. Tal es el caso de las instalaciones en edificios e industrias, de las tuberías locales y de los conductos forzados de las centrales hidroeléctricas.

MECANICA DE FLUIDOS II

INDICE I.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................... 4 1.1.

Formulación del problema ................................................................................4

1.2.

Justificación e importancia...............................................................................4

II.

III.

1.3.1.

General:.......................................................................................................4

1.3.2.

Específicos:..................................................................................................4

MARCO TEORICO ......................................................................................... 5 2.1.

PÉRDIDAS DE CARGAS LOCALES ..........................................................................5

2.2.

PÉRDIDAS DE CARGA EN ENSANCHAMIENTOS Y CODOS .......................................5

2.3.

Pérdida en una expansión súbita.........................................................................7

2.4.

Pérdida en una contracción súbita ......................................................................8

EQUIPOS A UTILIZAR .............................................................................. 10 3.1.

EQUIPO DE PERDIDA DE CARGAS LOCALES (FME 05) .......................................... 10

3.2.

FME 00 – BANCO HIDRÁULICO: ......................................................................... 10

3.3.

CRONOMETRO................................................................................................. 11

3.4.

PROBETA: ........................................................................................................ 11

3.5.

AGUA .............................................................................................................. 11

IV.

PROCEDIMIENTO ...................................................................................... 11

V.

RESULTADOS Y GRAFICOS EN EL LABORATORIO ................. 13

VI.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...................................... 20

VII. ANEXOS ........................................................................................................... 21

MECANICA DE FLUIDOS II

I.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1.

Formulación del problema

¿En que nos ayuda calcular el constante K para cada accesorio? 1.2.

Justificación e importancia

El ingeniero civil debe interpretar los datos obtenidos que produce las pérdidas de carga locales

generada por

los accesorios esto va a

depender de las características de la red de tuberías. La constante K se termina en cada accesorio para mejorar su rendimiento y así que el sistema de agua potable no colapse por las fugas, etc 1.3.

Objetivos

1.3.1. General: Determinar las pérdidas de carga locales para cada accesorio 1.3.2. Específicos: -

Determinar la velocidades de cada caudal

-

Determinar la viscosidad cinemática a partir de la obtención de la temperatura del fluido.

-

Calcular el número de Reynolds para el flujo estudiado

MECANICA DE FLUIDOS II

II.

MARCO TEORICO

2.1. PÉRDIDAS DE CARGAS LOCALES Además de las pérdidas de energía por fricción, hay otras 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 menores son provocadas generalmente por cambios en la velocidad, sea magnitud o dirección. Experimentalmente se ha demostrado que la magnitud de las pérdidas es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Es común expresar las pérdidas menores como función de la cabeza de velocidad en el tubo, V2/2g: 𝑽𝟐 𝒉𝒎 = 𝒌 × 𝟐𝒈 Dónde:     2.2.

𝒉𝒎 : Perdidas de cargas locales 𝒌: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑽: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑔𝑜 𝐠: Gravedad

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

MECANICA DE FLUIDOS II

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 asimétrica (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: Los fluidos en movimiento o flujo interno forman parte básica para la producción de servicios dentro de las actividades industriales, residenciales y comerciales. Al Ingeniero en Energía le compete el tratamiento adecuado de la conducción de flujos bajo conceptos de optimización económica, técnica, ambiental y de estética.

La aplicación de la Ecuación de Bernoulli para fluidos reales, entre 2 secciones de un mismo tramo de tubería es:

Dónde:

Dónde: hfp = Sumatoria de pérdidas primarias o longitudinales. hfs = Perdidas secundarias o, locales por accesorios. Al hablar de pérdidas en tuberías nos lleva a estudiar los flujos internos que sean completamente limitados por superficies solidas con un grado d rugosidad según el material del cual están fabricadas. Este flujo es muy importante de analizar ya que nos 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.

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 

Variaciones de energía cinética. Rozamiento o fricción.

2.3. Pérdida en una expansión súbita Un ensanchamiento súbito en la tubería provoca un incremento en la presión de P1 a P2 y un decrecimiento en la velocidad de V1 a V2 (figura 1).

Figura 1. Pérdida en una expansión súbita. Separación y turbulencia ocurre cuando el flujo sale del tubo más pequeño y las condiciones normales del flujo no se restablecen hasta una cierta distancia aguas abajo. Una presión P0 actúa en la zona de remolinos y el trabajo experimental ha demostrado que P0 = P1. Aislando el cuerpo del fluido entre las secciones (1) y (2), las fuerzas que actúan sobre el fluido son las que se muestran en la figura 2.

Figura 2. Volumen de control para una expansión súbita.

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2.4.

Pérdida en una contracción súbita

Figura 3. Pérdida en una contracción súbita. El flujo a través de una contracción súbita usualmente involucra la formación de una vena contracta en el tubo pequeño, aguas abajo del cambio de sección. La pérdida total de energía en una contracción súbita se debe a dos pérdidas menores separadamente. Éstas son causadas por: La convergencia de las líneas de corriente del tubo aguas arriba a la sección de la vena contracta. La divergencia de las líneas de corriente de la sección de la vena contracta al tubo aguas abajo. El proceso de convertir carga de presión en carga de velocidad es bastante eficaz, de ahí que la pérdida de carga de la sección (1) hasta la vena contracta (sección de mayor contracción en el chorro) sea pequeña comparada con la pérdida de la sección de la vena contracta hasta la sección (2), donde una carga de velocidad se vuelve a convertir en carga de presión. Por esto una estimación satisfactoria de la pérdida total 𝒉𝒎 , puede establecerse considerando únicamente la pérdida debida a la expansión de las líneas de corriente.

2.5.

Curvaturas, válvulas, secciones asimétricas, etc.

Es difícil desarrollar expresiones analíticas exactas para determinar la pérdida de energía en codos, válvulas, etc. Por lo tanto la pérdida de energía se expresa simplemente de la forma 𝒉𝒎 = 𝒌 ×

𝑽𝟐 𝟐𝒈

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2.6.

CAMBIO DE DIRECCIÓN

Un cambio de dirección significa una alteración en la distribución de velocidades, se producen zonas de separación de escurrimiento y de sobrepresión en el lado exterior. El caso más importante es el codo de 90°, la perdida de carga es:

Para el codo de 45°, la perdida de carga es:

Para el codo de curvatura fuerte, la perdida de carga es:

Para el codo de curvatura suave, la perdida de carga es:

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III.

EQUIPOS A UTILIZAR

3.1. EQUIPO DE PERDIDA DE CARGAS LOCALES (FME 05) Este es el aparato empleado para evaluar las pérdidas de energía que se originan en puntos específicos de las tuberías (diferentes accesorios que se utilicen). Está conformado por diferentes tipos de accesorios y tuberías interconectados entre sí.

3.2. FME 00 – BANCO HIDRÁULICO: Este sistema modular ha sido desarrollado para investigar experimentalmente los muchos y diferentes aspectos de la teoría hidráulica. El tanque de medición volumétrica está escalonado, permitiendo medir caudales altos o bajos. Un deflector de amortiguación reduce la turbulencia y un vaso comunicante exterior con escala marcada ofrece una indicación instantánea del nivel de agua. El suministro incluye un cilindro medidor para la medición de caudales muy pequeños.

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3.3. CRONOMETRO Usado para determinar el tiempo en cada ensayo, volumen pequeño, medio y grande.

3.4. PROBETA: Usado para contener el fluido y para verter en el equipo de presión sobre superficies cuando se van agregando las pesas.

3.5. AGUA Fluido del cual determinaremos la presión experimentalmente y teóricamente empleando los equipos señalados. Es necesario contar con suministros de agua. IV.

PROCEDIMIENTO

 Antes de todo regulamos el caudal de salida del FME 00, el cual debe ser propicio para la calibración del equipo complementario.  Se Calibró el equipo FME 05, que consistía en que los manómetros de agua estuvieran a un mismo nivel en un rango de 70 a 80mm de altura, para que a partir de ahí se tomen las medidas de las diferencias de presión entre un punto y otro de cada accesorio.

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 Con las válvulas de paso abiertas, se van cerrando lentamente y se toman los respectivos volúmenes en un tiempo determinado, para el cálculo del caudal (Q).  A medida que se iba haciendo las pruebas a diferentes aberturas de la válvula, se iba tomando nota la diferencia de presión marcadas por los manómetros de agua para cada uno de los accesorios.  Se realizaron 7 pruebas, para diferentes aberturas de la válvula, cada una con caudales diferentes, para determinar las pérdidas de cargas en las válvulas

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V.

RESULTADOS Y GRAFICOS EN EL LABORATORIO

ENSAYO 1 Tiempo (S) 1.47

Volumen(ml)

Caudal

117

7.95918E-05

ENSAYO 2 Tiempo (S)

Volumen(ml)

Caudal

133

9.85185E-05

1.35

ENSAYO 4

ENSAYO 3 Tiempo (S)

Volumen(ml)

Caudal

1.06

212

0.0002

Tiempo (S) Volumen(ml) 1.12

331

ENSAYO 5 Tiempo (S)

Volumen(ml)

Caudal

0.94

308

0.00032766

Caudal 0.000295536

MECANICA DE FLUIDOS II

1. Perdida de carga para accesorio codo largo

H2 0.248 0.255 0.317 0.38 0.426

Variacion h 0.005 0.006 0.014 0.022 0.032

Caudal 0.00007959 0.00009852 0.00020000 0.00029554 0.00032766

diam. 0.020 0.020 0.020 0.020 0.020

LARGO Area 0.000314159 0.000314159 0.000314159 0.000314159 0.000314159

Vel. 0.253349 0.313594 0.63662 0.940719 1.042973

V^2 0.064186 0.098341 0.405285 0.884953 1.087792

1.8

PERDIDA DE CARGA "CODO LARGO"

H1 0.253 0.261 0.331 0.402 0.458

CODO pi 3.1415927 3.1415927 3.1415927 3.1415927 3.1415927

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 k lab k teorico

1

2

1.528381242

1.19705541

0.72

0.72

3

4

5

0.677745734 0.487754727 0.577169005 0.72

0.72

0.72

(v^2)/2g 0.003271 0.005012 0.020657 0.045105 0.055443

k lab 1.5283812 1.1970554 0.6777457 0.4877547 0.577169

MECANICA DE FLUIDOS II

2. Perdida de carga para accesorio ensanchamiento ENSANCHAMIENTO

H1

H2

0.247

0.249

0.254

0.256

0.316

0.321

0.379

0.388

0.425 0.437

0.012

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

ENSANCHAMIENTO

Variacion Caudal diam.1 Area1 Vel.1 diam.2 Area2 Vel.2 (V1-V2)^ h 1 2 3 4 5 1.086848883 0.709366169 0.4303147520.020 0.354730711 0.384779337 0.002 7.95918E-05 0.0003142 0.253348685 0.04 0.001257 0.063337 0.0361044

K. lab K. Teorico K. lab K. Teorico

0.00032766

1

1

1

1

1

1

1

0.002 9.85185E-05 0.0003142 0.313594184 1.086848883 0.709366169 0.4303147520.020 0.354730711 0.384779337 1

0.005 0.009

1

0.04

0.001257 0.078399 0.055317

0.020 0.0003142 0.636619772

0.04

0.001257 0.159155 0.227972

0.000295536 0.020 0.0003142 0.940719396

0.04

0.001257 0.23518

0.0002

1

0.020 0.0003142 1.042972819

0.04

0.001257

0.260743

0.6118832

0.497786

0.031186706

MECANICA DE FLUIDOS II

3. Perdida de carga para contracción

contracción Variacion h

Caudal

diam.1

0.249 0.244

0.005

7.95918E-05

0.04

0.0012566 0.063337171

0.258 0.251

0.007

9.85185E-05

0.04

0.0012566 0.078398546 0.020 0.000314 0.313594 0.0983413 0.005012299 1.396564645

0.322 0.301

0.021

0.0002

0.04

0.0012566 0.159154943 0.020 0.000314 0.63662 0.4052847 0.020656714 1.016618601

0.390 0.352

0.038

0.000295536

0.04

0.0012566 0.235179849 0.020 0.000314 0.940719 0.884953

0.441 0.386

0.055

0.00032766

0.04

0.0012566 0.260743205 0.020 0.000314 1.042973 1.0877923 0.055443033 0.992009228

H1

H2

Area1

Vel.1

diam.2

Area2

Vel.2

(V1-V2)^2 (V1-V2)2/2g

K. Lab

0.020 0.000314 0.253349 0.0641856 0.003271435 1.528381242

0.045104637 0.842485438

MECANICA DE FLUIDOS II

CONTRACCION 2 1.5 1

0.5 0 K. Lab K. Teorico

1

2

3

4

5

1.528381242

1.396564645

1.016618601

0.842485438

0.992009228

0.18

0.18

0.18

0.18

0.18

MECANICA DE FLUIDOS II

4. Perdida de carga para accesorio codo medio PARA CODO MEDIO H2

Variacion h

Caudal

diam.

pi

Area

Vel.

V2

(v^2)/2g

K. Lab

0.244 0.212

0.032

7.95918E-05

0.02

3.1415927

0.000314159

0.253349

0.064186

0.003271

9.7816399

0.25

0.248

0.002

9.85185E-05

0.02

3.1415927

0.000314159

0.313594

0.098341

0.005012

0.3990185

0.301

0.296

0.005

0.0002

0.02

3.1415927

0.000314159

0.63662

0.405285

0.020657

0.242052

0.352 0.342

0.010

0.000295536

0.02

3.1415927

0.000314159

0.940719

0.884953

0.045105

0.2217067

0.385 0.369

0.016

0.00032766

0.02

3.1415927

0.000314159

1.042973

1.087792

0.055443

0.2885845

CODO MEDIO 12 10

Título del eje

H1

8 6 4 2 0 K. Lab K teorico

1

2

3

4

5

9.781639946 0.39901847 0.242052048 0.221706694 0.288584503 0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

MECANICA DE FLUIDOS II

5. Perdida de carga para accesorio codo corto PARA CODO CORTO H2

Variacion h

Caudal

diam.

pi

Area

Vel.

V2

(v^2)/2g

K. Lab

0.238 0.235

0.003

7.95918E-05

0.02

3.1415927

0.000314159

0.253349

0.064186

0.003271

0.9170287

0.244 0.239

0.005

9.85185E-05

0.02

3.1415927

0.000314159

0.313594

0.098341

0.005012

0.9975462

0.285 0.269

0.016

0.0002

0.02

3.1415927

0.000314159

0.63662

0.405285

0.020657

0.7745666

0.322 0.290

0.032

0.000295536

0.02

3.1415927

0.000314159

0.940719

0.884953

0.045105

0.7094614

0.345 0.299

0.046

0.00032766

0.02

3.1415927

0.000314159

1.042973

1.087792

0.055443

0.8296804

CODO CORTO 1.6 1.4

Título del eje

H1

1.2 1

0.8 0.6 0.4 K. Lab K teorico

1

2

3

4

5

0.917028745 0.997546175 0.774566553 0.709461421 0.829680445

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

MECANICA DE FLUIDOS II

6. Perdida de carga para accesorio inglete INGLETE H1

H2

Variacion h

Caudal

diam.

pi

Area

Vel.

V^2

(v^2)/2g

K. Lab

0.215

0.211

0.004

7.95918E-05

0.025

3.1415927

0.000490874

0.162143

0.02629

0.00134

2.9851196

0.212

0.208

0.004

9.85185E-05

0.025

3.1415927

0.000490874

0.2007

0.040281

0.002053

1.9483324

0.193

0.175

0.018

0.0002

0.025

3.1415927

0.000490874

0.407437

0.166005

0.008461

2.1274106

0.139

0.101

0.038

0.000295536

0.025

3.1415927

0.000490874

0.60206

0.362477

0.018475

2.0568492

0.91

0.410

0.500

0.00032766

0.025

3.1415927

0.000490874

0.667503

0.44556

0.022709

22.01725

25

INGLETE

20

15 10 5

0 K. Lab K Teorico

1

2

3

4

5

2.9851196121.9483323742.1274105782.05684921322.01725027

1.1

1.1

1.1

1.1

1.1

MECANICA DE FLUIDOS II

7. Perdida de carga para manometros MANOMETROS MANOM. 1 MANOM. 2 Variacion h

Caudal

diam.

pi

Area

Vel.

V^2

(v^2)/2g

K. lab

0.09

0.12

0.03

7.95918E-05

0.01

3.1415927 7.85398E-05

1.013395

1.026969 0.052343

0.1

0.13

0.03

9.85185E-05

0.01

3.1415927 7.85398E-05

1.254377

1.573461

0.13

0.30

0.17

0.0002

0.01

3.1415927 7.85398E-05

2.546479 6.484556 0.330507 0.5143606

0.41

0.49

0.08

0.000295536

0.01

3.1415927 7.85398E-05

3.762878 14.15925

0.53

0.60

0.07

0.00032766

0.01

3.1415927 7.85398E-05

4.171891

MANOMETROS 0.7

Título del eje

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 K. lab K teorico

1

2

3

4

5

0.5731429660.3740798160.5143606020.1108533470.078909825 0.19

0.19

0.19

0.19

0.19

0.573143

0.080197 0.3740798

0.721674

0.1108533

17.40468 0.887089 0.0789098

MECANICA DE FLUIDOS II

VI.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: CONCLUSIONES: -No se obtuvo lo que se planteó al principio, de obtener un “k” de laboratorio igual al teórico. -Se concluye que a mayor velocidad menor es el coeficiente de pérdidas “K”, y éste será mayor si la pérdida de carga aumenta. -Con relación a las pérdidas de carga con válvulas, se obtuvo lo que se esperó, de que a mayor abertura de la válvula, menor iba a ser “K”. -Según el tipo de accesorio se puede conocer cuánto es la cantidad de pérdida que genera en una línea de conducción.

RECOMENDACIONES: -Se debe seguir un procedimiento riguroso para la toma de datos y así

obtener resultados confiables para el análisis de las prácticas. -Se recomienda limpiar los accesorios y hacerle su mantenimiento al equipo de pérdidas de cargas locales. -Verificar que en los equipos se encuentren limpios y libres de objetos extraños. Estos objetos extraños alteran en el cálculo de los coeficientes de carga de perdida de cargas locales.

MECANICA DE FLUIDOS II

VII.

ANEXOS

Esta fotografía representa la explicación de la maquina FME-05 y el nivel de referencia

Observamos los diferentes accesorios

MECANICA DE FLUIDOS II

Se toman los respectivos volúmenes en un tiempo determinado, para el cálculo del caudal (Q).

Se va tomando nota la diferencia de presión marcadas por los manómetros de agua para cada uno de los accesorios.