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• Movimiento (Física)

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I.

INTRODUCCION Las pérdidas por fricción se presentan porque al estar el fluido en movimiento habrá una resistencia que se opone a dicho movimiento (fricción al fluir), convirtiéndose parte de la energía del sistema en energía térmica (calor), que se disipa a través de las paredes de la tubería por la que circula el fluido. Las válvulas y accesorios se encargan de controlar la dirección o el flujo volumétrico del fluido generando turbulencia local en el fluido, esto ocasiona una pérdida de energía que se transforma en calor. Los sistemas de flujo de un fluido presentan ganancias de energías por bombas y pérdidas por fricción conforme el fluido que pasa por los ductos y tubos, pérdidas por cambios en el tamaño de la trayectoria de flujo y pérdidas de energía por las válvulas y accesorios. La realización de este informe de laboratorio tiene como propósito identificar, analizar y calcular las pérdidas por fricción de un fluido en un sistema con tuberías y accesorios.

II.

OBJETIVOS  Relacionar como varia el caudal respecto con las pérdidas de carga que son función de las tuberías y de los accesorios  Aplicar los principios básicos como son el principio de Bernoulli en la determinación de la pérdida de carga de una instalación.  Conocer La Aplicación de la Ecuación de Darcy - Weisbach para la instalación de las pérdidas de carga.

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO Un cilindro se movería en un fluido ideal sin experimentar resistencia alguna. Ahora bien, fluido ideal es aquel que cuya viscosidad η=0. Pero nos encontramos en el hecho paradójico de que el agua y el aire (fluidos los más interesantes en la técnica) siendo muy poco viscosos ofrecen a un cilindro en movimiento una gran resistencia. Este hecho se conoce con el nombre de Paradoja de D´Alambert. La explicación de esta paradoja nos conduce lógicamente a dos conceptos de primordial importancia en Mecánica de Fluidos: la capa limite y el desplazamiento de la capa limite.

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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. El transporte por tubería, disciplina que estudia la conducción de fluidos. Las tuberías recorren grandes distancias en tramos que pueden ser superficiales, subterráneos o submarinos, y en su recorrido incorporan estaciones de distribución, impulsión o bombeo y otras llamadas ventosas, encargadas de eliminar el aire que se puede acumular en el interior del conducto entorpeciendo la circulación del fluido. Muchos son los procesos industriales en los que es necesario transportar un alimento líquido desde un punto a otro dentro de las diferentes etapas de procesado que lo componen. Algunos ejemplos en los que se transportan líquidos alimentarios a través de tuberías se encuentran en la industria láctea en la que es preciso transportar la leche, por ejemplo, desde los depósitos de refrigeración hasta los intercambiadores de calor o equipo de pasteurización. También en industrias de elaboración de zumos entre diferentes puntos del proceso de elaboración, como en el caso del transporte del zumo concentrado desde la descarga del último evaporador a la bodega de almacenamiento, pasando a través de un último intercambiador en donde se le baje la temperatura.

Pérdida de carga en accesorios Se propusieron diversas fórmulas para el cálculo de diversas pérdidas de carga por frotamiento, cuando los fluidos circulan en curvas, accesorios, etc. Pero el método más sencillo es considerar cada accesorio o válvula como equivalente a una longitud determinada de tubo recto. Esto permite reducirlas pérdidas en los tubos, las válvulas o accesorios aun denominador común: la longitud equivalente del tubo de igual rugosidad relativa. Para los accesorios soldados se encuentran análogas equivalencias de longitud de tubo, pero para las válvulas contracciones y expansiones se aplican las mismas longitudes equivalentes (Diagrama de Crane). Los codos soldados son de radios cortos o largos y sus equivalencias en tubo vienen expresados en diámetros de tubo en el siguiente cuadro:

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Cuadro 1. Codos Soldados y equivalencias en Tubo Longitud equivalente en diámetro de

Codo Soldado

Tubo

Radio Largo a 45º

5.6

Radios Cortos a 45º

8.0

Radio Largo a 90º

9.0

Radio Corto a 90º

12.5

Radio Largo a 180º

12.21

Radio Corto a 180º

16.9

La presencia de llaves de paso, ensanchamientos, codos, estrechamientos, tees, etc. Introduce pérdidas de carga suplementarias en toda instalación, por alterar la dirección del flujo o modificar la velocidad lineal de desplazamiento de algunos filetes de vena fluida. Salvo las pérdidas debidas en los ensanchamientos y estrechamientos, las de los codos, tees y llaves son complicadas de evaluar algebraicamente. El Diagrama de Crane es un nomograma que puede ser útil con tal objeto, se emplea así: supongamos que se quiera saber la pérdida de carga que produce un codo de 45°, de 10 pulg. de diámetro interior. Unimos el punto de estos codos (tercer punto de la escala izquierda, empezando por abajo) con la división 10 de la escala derecha. La recta así trazada corta a la escala central en la división 3,5, lo cual significa que la pérdida de carga producida por dicho codo es la misma que la producen 3,5 m. de la tubería recta de 10 pulg de diámetro interior. Dicha longitud se llama Longitud Equivalente. Las pérdidas de carga debida a los estrechamientos y a los ensanchamientos se pueden conocer también por Crane o algebraicamente:

Donde V2 es la velocidad lineal en la sección más estrecha, Kest. es una constante que depende de la relación de áreas (A2/A1) y que podría encontrarse en Gráficos de Coeficientes de pérdidas de carga o en Tablas de pérdidas adicionales por fricción en accesorios.

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Los datos indican que la resistencia K tiende a disminuir al incrementarse el tamaño del aditamento o la válvula También se pueden obtener valores aproximados de longitudes equivalentes diámetros multiplicando K por 45 en caso de líquidos similares al agua y por 55 en el caso de gases similares al aire. La mayoría de los valores dados son para aditamentos de rosca stándard y es probable que su precisión tenga un margen del  30%. La diferencia de la pérdida por fricción entre terminales de rosca, con reborde y soldadas son insignificantes. Los fabricantes y usuarios de válvulas, sobre todas las de control, han encontrado que es conveniente expresar la capacidad de la válvula mediante un coeficiente de flujo Cv, este coeficiente se relaciona con K por medio de la expresión:

En donde Cv es el coeficiente de flujo en la válvula en gal/mi. de agua a 60°F , que pasa por una caída de presión de válvula de 1 lbf/pulg 2 y d es el diámetro interno de la válvula expresada en pulgadas Perdida Cargas En Tuberías En estructuras largas, la perdida por fricción es muy importante, por lo que es un objeto de constante estudio teórico experimental para obtener resultados técnicos aplicables. Es muy importante la diversidad actual de sistemas de transporte de fluidos se componen de tuberías y conductos tienen una extensa aplicación como ser las plantas químicas y refinerías parecen un laberinto en tuberías, lo mismo que pasa con las plantas de producción de energía que contienen múltiples tuberías y conductos para transportar los fluidos que intervienen en los procesos de conversión de energía. Los sistemas de suministro de agua a las ciudades y de saneamiento consisten en muchos kilómetros de tubería. Muchas maquinas están controladas por sistemas hidráulicos donde el fluido de control se transporta en mangueras o tubos. Para realizar el estudio se deberá tomar en cuenta la diferenciación entre los flujos laminares y los turbulentos para lo cual recurriremos al número de Reynolds, a medida que el fluido fluye por un conducto u otro dispositivo, ocurren perdidas de energía debido a la fricción, tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo, es ahí donde parten los

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cálculos del laboratorio ya que a partir de la diferencia de presión obtenida en el inicio y final de la tubería es que obtendremos el factor de fricción de la tubería, cabe destacar también la importancia de la determinación del liquido y su temperatura ya que la determinación del numero de Reynold variara de acuerdo a la viscosidad del fluido. La importancia de esta radica en que es muy necesario tomar en cuenta las pérdidas de energía por la fricción que se produce entre las paredes de las tuberías o de los diferentes accesorios que conforman determinado equipo, ya que esto se traduce en costos adicionales, y esto debe ser tomado en cuenta, ya que forma una parte esencial de la labor que cada uno de nosotros tendrá como futuros ingenieros de procesos, ya que la fricción ocasionada en la tubería puede dar como resultado daños en la misma, esto sucede por el flujo del fluido; cuando trae en su masa sedimentos que aparte de dañar todo un sistema de tubería de cualquier empresa por efectos de corrosión podría dañar equipos e instrumentos. La importancia del laboratorio implica un buen registro de datos y la determinación de todos los parámetros los cuales determinaran la veracidad de los resultados obtenidos.

Figura 1. Pérdidas en tuberías y Accesorios.

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Regímenes de circulación de los fluidos

a. Régimen laminar:

Las capas de fluido se desplazan paralelamente a sí mismas. El movimiento en estere gimen es ordenado, estatificado; el flujo se mueve como clasificado en capas que no se mezclan entre sí, Así el fluido no se desplaza como un cilindro, que desliza en el interior de la tubería estacionaria de sección circular, sino, como se representa en la fig. 3, en forma de tubos concéntricos cilíndricos que deslizan unos con relación a los otros como los tubos de un telescopio. El tubo exterior de fluido queda adherido siempre a la tubería, su velocidad es cero. La velocidad de desplazamiento del filamento interior de sección circular infinitesimal es máxima.

Un ejemplo de régimen lamiar podría ser de un fluido my viscoso, por ejemplo aceite, moviéndose a velocidad no muy grande por una tubería de pequeño diámetro y de sección constante, en régimen permanente. El fluido no se desplaza con velocidad constate en toda la sección de la tubería, como hemos supuesto hasta ahora, sino que lo hace en forma de tubos concéntricos cilíndricos que deslizan unos con relación a otros como los tubos de una telescopio

b. Régimen Turbulento

Las capas de fluido se desplazan entremezclándose. Es el tipo de derrame que se da prácticamente en la totalidad de los casos de circulación de agua en las instalaciones de calefacción y A.C.S. Es caótico; es así que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se entrecruzan formando pequeños remolinos aperiódicos. La fig. 6. a representa pequeños trozos de trayectoria de muchos partículas correspondientes a un mismo espacio breve de tiempo, y la fig. 6.b representa la trayectoria de de una sola partícula durante un periodo más largo de tiempo. Como se ve la velocidad fluctúa continuamente en cada punto.

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Por el contrario, en régimen turbulento el movimiento de las partículas fluidas es caótico. Por ejemplo, supongamos un fluido poco viscoso, como el agua, moviéndose a gran velocidad en una tubería de gran diámetro y de sección constante, en régimen permanente. Las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se entrecruzan formando pequeños remolinos. Si representamos segmentos de trayectorias de muchas partículas correspondientes a un mismo espacio breve de tiempo

El numero de Reynolds    

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Re 2.000 Régimen Laminar 2.000