GUÍA DE TRABAJO

Tecnología Electromecánica

Código FDE 048

Versión 03

Fecha 2009-06-09

1. IDENTIFICACIÓN

Asignatura Gestión Energética Guía No. 5

Área Básicas de la Tecnología Nivel 5

Código GEE54 Pensum 11

Correquisito(s) Prerrequisito(s)

Créditos 4 TPS 5 TIS 10 TPT 80 TIT 160

TRABAJO INDEPENDIENTE TRABAJO PRESENCIAL

Trabajo Teórico

Trabajo Práctico

Trabajo Teórico

Trabajo Práctico

2. IDENTIFICACIÓN

COMPETENCIAS CONTENIDO TEMÁTICO INDICADOR DE LOGRO

Realizar balances energéticos para la gestión energética en los SEM’s de los procesos industriales, teniendo en cuenta los conceptos básicos de energía fluídica, térmica y las transformaciones energéticas de calor.

Mecánica de fluidos:

Conceptos fundamentales.

Propiedades

Fundamentos de Hidrostática

Energía Fluídica y ecuaciones básicas en flujo de fluidos relacionadas.

Principios fundamentales en la fricción en flujo de fluidos

Turbomaquinaria

En un sistema de bombeo específico:

Calcula el balance energético, utilizando las ecuaciones básicas en flujo de fluidos, y determina perdidas existentes en el sistema y la energía entregada al fluido.

3. RECURSOS REQUERIDOS

– Notas de clase – Material bibliográfico: Textos descritos en bibliografía, biblioteca, internet – Docentes y estudiantes

4. PROCEDIMIENTO

COMPRENSIÓN DE CONCEPTOS

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1. ¿Por qué los líquidos usualmente se transportan en tuberías circulares? 2. What is the physical significance of the Reynolds number? How is it defined for

(a) flow in a circular pipe of inner diameter D and (b) flow in a rectangular duct of cross section a x b?

3. Considere a una persona que primero camina en el aire y luego en agua a la misma velocidad. ¿Para cuál movimiento el número de Reynolds será mayor?

4. ¿Cuál fluido a temperatura ambiente necesita una bomba más grande para

flujo a una velocidad específica en una tubería dada: agua o aceite de motor? ¿Por qué?

5. What is the generally accepted value of the Reynolds number above which the

flow in smooth pipes is turbulent?

6. Consider the flow of air and water in pipes of the same diameter, at the same temperature, and at the same mean velocity. Which flow is more likely to be turbulent? Why?

7. ¿Qué es diámetro hidráulico? ¿Cómo se define? ¿A qué es igual para una

tubería circular de diámetro D?

8. ¿Cómo afecta la rugosidad de la superficie a la caída de presión en una tubería si el flujo es turbulento? ¿Cuál sería su respuesta si el flujo fuera laminar?

PROBLEMAS DE APLICACIÓN - SITUACIONES EN CONTEXTO 9. Water at 10°C (ρ = 999.7 kg/m3 and µ = 1.307 x 10-3 kg/m · s) is flowing

steadily in a 0.20-cm-diameter, 15-m-long pipe at an average velocity of 1.2 m/s. Determine (a) the pressure drop, (b) the head loss, and (c) the pumping power requirement to overcome this pressure drop. Respuestas: a) 188 kPa; b) 19.2 m; c) 0.71 W

10. Se tiene agua a 15°C (ρ = 999.1 kg/m3 y µ = 1.138 x 10-3 kg/m · s) que fluye a una razón de 8 L/s de manera estacionaria en una tubería horizontal de 30 m de largo y 4 cm de diámetro fabricada de acero inoxidable. Determine: a) la caída de presión, b) la pérdida de carga y c) la potencia de bombeo necesaria

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para superar esta caída de presión. Respuestas: a) 238 kPa; b) 24.3 m; c) 1.9 kW

11. Consider the flow of oil with ρ = 894 kg/m3 and µ = 2.33 kg/m · s in a 40-cm-

diameter pipeline at an average velocity of 0.5 m/s. A 300-m-long section of the pipeline passes through the icy waters of a lake. Disregarding the entrance effects, determine the pumping power required to overcome the pressure losses and to maintain the flow of oil in the pipe. Respuesta: 4.39 kW

12. Se tiene aire que entra a una sección de 7 m de largo de un ducto rectangular de 15 cm x 20 cm de sección transversal fabricado de acero comercial a 1 atm y 35°C a una velocidad promedio de 7 m/s. Sin considerar los efectos de entrada, determine la potencia de ventilador necesaria para superar las pérdidas de presión en esta sección del ducto. Respuesta: 4.9 W

13. Water at 60°F passes through 0.75-in-internal-diameter copper tubes at a rate of 1.2 lbm/s. Determine the pumping power per ft of pipe length required to maintain this flow at the specified rate. Respuesta: 0.37 kW (por pie de longitud)

14. Se tiene glicerina a 40°C con ρ = 1252 kg/m3 y µ = 0.27 kg/m.s que fluye a

través de una tubería horizontal lisa de 5 cm de diámetro, con una velocidad promedio de 3.5 m/s. Determine la caída de presión a lo largo de 10 m de la tubería. Respuesta: 121 kPa

15. Se tiene amoniaco líquido a -20°C que fluye a través de una sección de 30 m

de largo de un tubo de cobre de 5 mm de diámetro a una razón de 0.15 kg/s.

Determine la caída de presión, la pérdida de carga y la potencia de bombeo

necesaria para superar las pérdidas de fricción en el tubo. Respuestas: 4792

kPa; 734 m; 1.08 kW

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16. En una instalación, debe transportarse aceite SAE 10 (GE = 0.89) por una tubería de acero de 3 pulg, cédula 40, a razón de 850 L/min. La operación eficiente de cierto proceso requiere que el número de Reynolds del flujo sea de aproximadamente 5 x 104. ¿A qué temperatura debe calentarse el aceite para que cumpla con lo anterior? Respuesta: 100°C

17. Por una tubería de acero de 1 pulg, cédula 80, fluye petróleo crudo 60 m hacia

abajo en forma vertical, a una velocidad de 0.64 m/s. El petróleo tiene una

gravedad específica de 0.86 y está a 0°C. Calcule la diferencia de presión

entre las partes superior e inferior de la tubería. Respuesta: -471 kPa

18. A través de un tubo de cobre de ½ pulg tipo K fluye agua a 75°C a razón de

12.9 L/min. Calcule la diferencia de presión entre dos puntos separados 45 m,

si el tubo está en posición horizontal. Respuesta: 62 kPa

19. Una tubería de acero de 3 pulg, cédula 40, tiene 5000 pies de longitud y

conduce un aceite lubricante entre dos puntos A y B, de modo que el número de Reynolds es 800. El punto B está 20 pies más arriba que el A. El aceite tiene una gravedad específica de 0.90 y viscosidad dinámica de 4 x 10-4 lb-s/pie2. Si la presión en A es de 50 psig, calcule la presión en B. Respuesta: 37.3 psig

20. Como prueba para determinar la rugosidad de la pared de una instalación de

tubería, se bombea agua a 10°C a razón de 225 L/min. La tubería es de acero

comercial estándar de 1 1/2 pulg con espesor de pared de 0.083 pulg. Las

lecturas de dos medidores de presión a 30 m de distancia uno de otro en un

tramo horizontal de la tubería son de 1035 kPa y 669 kPa. Determine la

rugosidad de la pared de la tubería. Respuesta: 6.16 x 10-4 m

21. Desde un tanque de almacenamiento fluye agua a 80°F a través de 550 pies

de tubería de acero de 6 pulg, cédula 40, como se observa en la figura. Si se

toma en cuenta la pérdida de energía debido a la fricción, calcule la altura h

que se requiere sobre la entrada de la tubería con el fin de producir un flujo

volumétrico de 2.50 pies3/s. Respuesta: 45.7 pie

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22. La figura muestra una parte de un sistema de protección contra incendios donde una bomba impulsa agua a 60°F desde un depósito y la lleva al punto B a razón de 1500 gal/min. a) Calcule la altura h que se requiere para el nivel del agua en el tanque, con

el fin de mantener una presión de 5.0 psig en el punto A. Respuesta: 12.6 pie

b) Si suponemos que la presión en A es de 5.0 psig, calcule la potencia que transmite la bomba al agua con objeto de conservar una presión de 85 psig en el punto B. Incluya la pérdida de energía debido a la fricción, pero ignore las demás. Respuesta: 113.23 hp

23. Una bomba sumergible de pozo profundo mueve 745 gal/h de agua a 60°F, a

través de una tubería de acero de 1 pulg, cédula 40, cuando opera en el

sistema de la figura. Si la longitud total de la tubería es de 140 pies, calcule la

potencia que la bomba transmite al agua. Respuesta: 0.713 hp

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24. En una granja se transporta agua a 60°F, desde un tanque de almacenamiento presurizado hasta un bebedero para animales, por medio de una tubería de 300 pies de longitud, de 1 ½ pulg, cédula 40, como se ilustra en la figura. Calcule la presión de aire que se requiere sobre el agua del tanque con el fin de producir un flujo de 75 gal/min. Respuesta: 46.9 psi

25. La figura muestra un sistema de distribución de fertilizante líquido de pasto. Para operar con eficacia, la boquilla en el extremo de la manguera requiere 140 kPa de presión. La manguera es de plástico liso y tiene un diámetro interior de 25 mm. La solución del fertilizante tiene una gravedad específica de 1.10 y viscosidad dinámica de 2.0 x 10-3 Pa.s. Si la longitud de la manguera es de 85 m, determine a) la potencia que transmite la bomba a la solución y b) la presión en la salida de la bomba. Ignore la pérdida de energía en el lado de toma de la bomba. El flujo volumétrico es de 95 L/min. Respuestas: a) 1 kW; b) 640 kPa

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26. Desde el depósito de la figura y por el tubo que se aprecia, fluye agua a 10°C,

a razón de 900 L/min. Calcule la presión en el punto B; tome en cuenta la pérdida de energía debido a la fricción, pero ignore las demás. Respuesta: 89.9 kPa

5. BIBLIOGRAFÍA

CENGEL, Yunus y CIMBALA, John. Mecánica de Fluidos. Fundamentos y Aplicaciones. 1 ed. México: McGraw – Hill. 2007, 956 p.

MOTT, Robert L. Mecánica de Fluidos. 6 ed. México: Pearson. Prentice Hall. 2006,

626 p.

MUNSON, Bruce et al. Fundamentos de Mecánica de Fluidos. México: Limusa-Wiley. 2002, 867 p.

FOX, Robert y MACDONALD, Alan T. Introducción a la Mecánica de Fluidos. 2 ed. Bogotá: McGraw-Hill. 1993, 750 p.

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STREETER, Victor et al. Mecánica de Fluidos. 9 ed. Bogotá: McGraw-Hill. 1999, 740 p.

WHITE, Frank M. Mecánica de Fluidos. 5 ed. Madrid: McGraw-Hill. 2004, 833 p.

SHAMES, Irving H. Mecánica de Fluidos. 3 ed. Bogotá: McGraw-Hill. 1992, 825 p

DIRECCIONES ELECTRÓNICAS

Ingrese a las direcciones:

www.piping-toolbox.com/6_307.html http://turnbull.mcs.st-and.ac.uk/history/ www.carf-engineering.com (Calculadora para la caída de presión con ayuda visual para mostrar flujo laminar y turbulento) http://efluids.com/ http://members.tripod.com/~IgorIvanov/physics/fluid-static.html (tiene programa para calcular propiedades de un fluido a una temperatura dada) http://members.tripod.com/~IgorIvanov/physics/fluid-dynamics.html http://www.efunda.com/formulae/fluids/overview.cfm http://www.geocities.com/Eureka/Concourse/3075/channelcalc.html (programa para calcular flujo en canales abiertos) http://highered.mcgraw-hill.com/webintegration/WebIntegrationServlet?call=InstructorHomeWeblet&external=1&next=sitesubscription/registration/InstructorHome.vm&isbn=0072472367&chrome=/sites/0072472367/chrome.vm&goto_url=/sites/0072472367/student_view0/ (centro de ayudas online del libro de mecánica de fluidos de Cengel)

para profundizar sobre algunos conceptos de la mecánica de fluidos.

Elaborado por: Gustavo Patiño Jaramillo Sandra Ruth Ochoa Gómez

Versión: 1.1

Fecha: Febrero 2010

Aprobado por: Francisco Gómez