Informe de Laboratorio Hidráulica

“CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN Y ACCESORIOS EN TUBERÍAS

PVC PRESIÓN”

PRESENTADO POR:

EDUARDO MOYA - 2010115045

JOSE ORTEGA - 2012215051

ANUAR BARRIOS – 2014115151

LUIS ARCE – 2013115003

CARLOS NARVAEZ - 2012215048

DANIELA CARBONO - 2010115017

PRESENTADO A:

ING. JUAN CARLOS MOSOS CAMPOS

UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA

FACULTAD DE INGENIERIA / PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL

SANTA MARTA D.T.C.H.

17 DE NOVIEMBRE DEL 2015

1

1. CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN Y ACCESORIOS EN TUBERÍASPVC PRESIÓN

CONTENIDO

1.

INTRODUCCIÓN....................................................................................................2

2. OBJETIVOS......................................................................................................3

OBJETIVO GENERAL.........................................................................................3

OBJETIVOS ESPECÍFICOS................................................................................3

3. MARCO TEÓRICO............................................................................................4

EQUIPOS Y HERRAMIENTAS EMPLEADAS.....................................................7

(FOTOS): TABLERO DE PÉRDIDAS, TERMÓMETRO DIGITAL, REGLA O

METRO.................................................................................................................7

4. DATOS DE ENTRADA......................................................................................8

PARA CALCULO DE COEFICIENTE DE FRICCIÓN EN TUBERÍA PVC ½”:....8

PARA CÁLCULO DE COEFICIENTES DE PÉRDIDAS LOCALES EN TUBERÍA

PVC ½” (VÁLVULA DE BOLA):..........................................................................8

CODO 90°:............................................................................................................9

VÁLVULA DE CORTINA:.....................................................................................9

OTROS DATOS:.................................................................................................10

BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................11

2


1. INTRODUCCIÓN

En la medida que un fluido se desplaza a través de una tubería, conducto o algún

otro elemento, acontecen pérdidas de energía debido a la fricción entre el líquido y

las paredes de la tubería y a los accesorios que se emplean en ésta, lo que en

consecuencia ocasiona una disminución de la presión entre dos puntos del

sistema. Es de distinguir que dichas pérdidas son analizadas en el sentido del

flujo. Los sistemas de flujo inherentes a un fluido líquido 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. Las tuberías de sección

circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor

resistencia estructural sino también mayor sección transversal para el mismo

perímetro exterior que cualquier otra forma.

Este ensayo hace posible realizar estudios y análisis pertinentes a las pérdidas de

energía generadas a partir de la fricción que genera el fluido al estar en contacto

con las paredes lisas o rugosas del tubo por el cual es transportado y por las

pérdidas ocasionadas por la presencia de accesorios como tees, codos, válvulas,

otros. Por esto es importante tener en cuenta las pérdidas de energía ocasionadas

en un sistema de tuberías, ya sea un fluido laminar cuando las partículas

se mueven en direcciones paralelas formando capas, o turbulento cuando las

partículas se mueven de forma desordenada en todas las direcciones.

La realización de este informe de laboratorio tiene como principal propósito

identificar, calcular y analizar las pérdidas por fricción y por los accesorios

instalados en un sistema de tuberías, teniendo en cuenta los procedimientos

descritos en cada experiencia y haciendo uso de los teoremas y ecuaciones que

han sido parte de estudio.

3


2. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Experimentar que, en efecto, los coeficientes utilizados durante la

resolución de ejercicios para precisar pérdidas por fricción y accesorios en

tuberías, sean iguales o semejantes a los determinados en los ensayos de

laboratorio.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar qué autor, con su respectiva ecuación para hallar el coeficiente

de fricción en tuberías f , se adapta al equipo o sistema empleado en la

presente experiencia.

Caracterizar los accesorios encontrados en el sistema de tuberías, para

definir sus coeficientes de pérdidas locales k .

Comparar los coeficientes generados en los ensayos experimentales con

los consignados y suministrados en guías, catálogos y/o libros de hidráulica

de tuberías.

4


3. MARCO TEÓRICO

Dentro del estudio de los sistemas de fluidos se deben tener en cuenta ciertos

parámetros que se mencionaran a continuación. La finalidad de construir y

planificar uno de estos sistemas es reducir costos y posibles daños por malos

cálculos en el diseño del sistema.

En 1850, Darcy y Weibasch, dedujeron experimentalmente una fórmula básica

para el cálculo de pérdidas de carga por fricción en tuberías. Esta se define como

la perdida de energía del fluido por el roce entre moléculas de agua y con las

paredes de la tubería. En conductos circulares se puede determinar a partir de:

h f=fLD

V 2

2 g

Donde h f es la pérdida ocasionada por la fricción entre el fluido y las paredes de la

tubería, f es el coeficiente de fricción (adimensional), L la longitud de la tubería

(m), D el diámetro interno de la tubería (m), V la velocidad media (m/s) y g la

aceleración de la gravedad (m/s2).

De esta forma, para el cálculo de f existen múltiples ecuaciones, a continuación

se exponen las más importantes y de uso durante la cátedra para el cálculo de

tuberías:

Blasius (1911): Propone una expresión en la que f viene dado en función del

Número de Reynolds, válida para tubos lisos. Válida hasta Re < 100000:

f=0,3164∗Re−0,25

Nikuradse (1933): Propone una ecuación válida para tuberías rugosas:

1

√ f=2 log

3,71 D£

5


Colebrook-White (1939): Válida para todo tipo de flujos y rugosidades. Es la más

exacta y universal, pero el problema radica en su complejidad y en que requiere

de iteraciones:

1

√ f=−2 log(

£D

3,71+

2,51Re√ f

)

Por otra parte, 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. Es común expresar las

pérdidas menores como función de la cabeza de velocidad en el tubo, V2/2g:

hl=kV 2

2 g

Siendo hl la pérdida menor y k el coeficiente de pérdida. Los valores de k para

todo tipo de accesorio, son los correspondientes a accesorios como tees, codos,

válvulas, checks, canastillas, entre otros.

Flujo turbulento: Este tipo de flujo es el que más se presenta en la práctica de

ingeniería. En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias

muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de

cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra.

Flujo laminar: Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se

produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente

definidas dando la impresión de que se tratara de láminas o capas más o menos

paralelas entre sí, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras.

En éste orden de ideas, el Número de Reynolds se entabla como una

herramienta o parámetro que sirve para predecir y determinar si un flujo se

6


encuentra dentro del régimen laminar o turbulento, o se encuentra en una zona de

transición entre uno y otro:

Re=VDν

Para lo cuál Re representa el número de Reynolds (adimensional), V la velocidad

(m/s), D el diámetro de la tubería (m) y ν la viscosidad cinemática del agua o fluido

que circula por la tubería (m2/s).

El valor dado por ésta ecuación, permite discriminar la naturaleza del fluido

proporcional a su velocidad, así:

1) Si Re< 2000, el flujo es laminar, en el cual las partículas se comparten de

forma regular.

2) Si 4000 > Re> 2000, el flujo es transitorio o se encuentra en zona de

crítica.

3) Si Re< 2000, el flujo es turbulento, en donde sus partículas se comportan

de manera errática.

7


4. DATOS DE ENTRADA

1.1 PARA CÁLCULO DE COEFICIENTE DE FRICCIÓN EN TUBERÍA PVC ½”:

Caudal 1

t1 (seg) t2 (seg) t3 (seg) t prom (seg) h volumétrico (m) hf (m)

5,38 5,49 5,47 5,45 0,157 0,445

Caudal 2


5,41 5,41 5,41 5,41 0,157 0,420

Caudal 3


7,26 7,20 7,23 0,151 0,200

Error humano

1.2 PARA CÁLCULO DE COEFICIENTES DE PÉRDIDAS LOCALES EN

TUBERÍA PVC ½” (VÁLVULA DE BOLA):

Caudal 1


6,13 6,09 6,20 6,14 0,142 0,730

8


Caudal 2


7,25 7,24 6,72 7,25 0,163 0,700

Caudal 3


8,01 8,04 8,05 8,03 0,153 0,470

Error humano

1.3 CODO 90°:

Caudal 1


5,64 5,72 5,56 5,64 0,140 0,314

Caudal 2


6,17 6,27 6,28 6,24 0,153 0,313

Caudal 3


8,06 8,23 8,15 0,169 0,235

Error humano

9


1.4 VÁLVULA DE CORTINA:

Caudal 1


5,43 5,38 5,27 5,36 0,137 0,705

Caudal 2


6,31 6,18 6,25 0,151 0,642

Caudal 3


7,81 7,83 7,89 7,84 0,16 0,497

Error humano

OTROS DATOS:

Temperatura del agua (tomada mediante termómetro digital) = 18,5°.

Para pérdidas por fricción y locales:

Longitud de la tubería = 2 m.

Para codo 90°:

Longitud de la tubería = 0,30 m * 13 tubos = 3,9 m.

Coeficiente local = 13k

Para válvula de cortina:

Longitud de la tubería = 2 m.

Coeficiente local = 9k

10


5. CALCULOS

1.1 Cálculo del coeficiente de fricción en tubería de pvc ½”

μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s

Q :∀t :

π (8∗0.0254 m)2

4∗0.157m

5.45 seg :9.342∗10−4 m

3

seg

V :QA :

9.342∗10−4m3/segπ (0.5∗0.0254m)2

4 : 7.37

mseg

hf :

f v2 L2gD

: despejo f por solve

0.445m: f∗(7.37m /s )2∗2m

2∗9.81∗(0.5∗0.0254m):

f : 0.00102 “f dellaboratorio

Re:vDμ

:7.37

ms∗(0.5∗0.0254 m)

0.893∗10−6m2/s: 104814

Calculo de f por ColebrookCumple el número de reino 4000≤ℜ

1

√ f:−2 log ( ε

D3.71

+2.51ℜ√ f )

1√ f

:−2 log ( 0.0015∗10−3

0.5∗0.02543.71

+ 2.51104814√ f ) Despejo por solve

11


f : 0.018445

Calculo por NikuradseCumple el número de reino para 2.3∗104≤ℜ≤3.4∗106

1

√ f:2 log ( 3.71∗D

ε )1

√ f:2 log ( 3.71∗(0.5∗0.0254)

0.0015∗10−3 ) “Despejo por solve”

f : 0.012361

Calculo por BlasiusNo cumple el número de reino porque Re≤100000

Calculo del segundo caudal

t : 5.41 seg h : 0.157m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s

h f : 0.42m ϕrecipiente: 8”

L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m

Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.157m

5.41 seg :9.411∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 9.411∗10−4m3/ segπ (0.5∗0.0254m)2

4

: 7.43 mseg

hf :

f v2 L2gD

: despejo f por solve

0.42m: f∗(7.43m /s )2∗2m

2∗9.81∗(0.5∗0.0254m):

f : 0.000947 f del laboratorio

12


Re:vDμ

:7.43

ms∗(0.5∗0.0254 m)

0.893∗10−6m2/s: 105667.41


1

√ f:−2 log ( ε

D3.71

+2.51ℜ√ f )

1√ f

:−2 log ( 0.0015∗10−3

0.5∗0.02543.71

+ 2.51105667.41√ f ) Despejo por solve

f : 0.018417


1

√ f:2 log ( 3.71∗D

ε )1

√ f:2 log ( 3.71∗(0.5∗0.0254)


f : 0.012361

Calculo por BlasiusNo cumple el número de reino porque Re≤100000

Calculo del tercer caudal

t 1 : 7.20seg h : 0.151m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s

t 2 : 7.26 seg h f : 0.20m ϕrecipiente: 8”

L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m

tPromedio: 7.23 seg

13


Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.151m

7.26 seg :6.77∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 6.77∗10−4m3/ segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 5.34 mseg

hf :

f v2 L2gD

: de spejo f por solve

0.20m: f∗(5.34m / s)2∗2m

2∗9.81∗(0.5∗0.0254m):

f : 0.000874 f del laboratorio

Re:vDμ

:5.34

ms∗(0.5∗0.0254m)

0.893∗10−6m2/ s: 75944


1

√ f:−2 log ( ε

D3.71

+2.51ℜ√ f )

1√ f

:−2 log ( 0.0015∗10−3

0.5∗0.02543.71

+ 2.5175944√ f ) Despejo por solve

f : 0.019594


1

√ f:2 log ( 3.71∗D

ε )1

√ f:2 log ( 3.71∗(0.5∗0.0254)


14


f : 0.012361

Calculo por BlasiusCumple el número de reino porque Re≤100000

f : 0.3164 ℜ−0.25

f : 0.3164∗(75944)−0.25 f : 0.019059

1.2 Cálculo del coeficiente de perdidas locales en tubería de pvc ½” válvula de bola

Datos:

Calculo del primer caudal

t 1 : 6.13 seg h : 0.142m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s

t 2 : 6.09 seg ht : 0.73m ϕrecipiente: 8” k: 9 válvulas

t 3 : 6.20 seg L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m

tPromedio: 6.14 seg f : 0.012361

Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.142m

6.14 seg :7.49∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 7.49∗10−4m3/segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 5.19 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9 k v2

2gdespejo k por solve

0.73m: 0.012361∗(7.37 m /s)2∗2m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

9k∗(5.19ms)

2

2∗9.81m /s2

15


k :−0.157


t 1 : 7.25seg h : 0.163m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s

t 2 : 7.24seg ht : 0.70m ϕrecipiente: 8” k: 9 válvulas

t 3 : 6.20seg L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m

tPromedio: 7.10seg f : 0.012361

Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.163m

7.10 seg :7.44∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 7.44∗10−4m3/ segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 5.87 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9k v2


0.70m: 0.012361∗(5.87 m /s)2∗2m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

9k∗(5.87ms)

2

2∗9.81m /s2

k :−0.17


t 1 : 8.01seg h : 0.153m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s


t 3 : 8.05seg L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m


16


Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.153m

8.033 seg :6.176∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 7.44∗10−4m3/ segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 4.87 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9k v2


0.47m: 0.012361∗(4.87m /s)2∗2m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

9k∗(4.87ms

)2

2∗9.81m /s2

k :−0.1730

1.3 Cálculo del coeficiente de perdidas locales en tubería de pvc ½” codo de 90°

Datos:


t 1 : 5.64seg h : 0.14m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s

t 2 : 5.72seg ht : 0.314m ϕrecipiente: 8” k: 12 codos

t 3 : 5.56seg L: 13*0.3m: 3.9m ε pvc : 0.0015∗10−3m


Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.14m

5.64 seg :8.049∗10−4 m

3

seg

17


V :QA

: 8.049∗10−4m3/se gπ (0.5∗0.0254m)2

4

: 6.35 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9k v2


0.314 m: 0.012361∗(6.35m /s)2∗3.9m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

12k∗(6.35ms

)2

2∗9.81m/ s2

k : −0.30


t 1 : 6.17seg h : 0.153m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s


t 3 : 6.28seg L: 13*0.3m: 3.9m ε pvc : 0.0015∗10−3m


Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.153m

6.24 seg :7.95∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 7.95∗10−4m3/segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 6.27 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9 k v2


0.313m: 0.012361∗(6.27 m /s)2∗3.9m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

12k∗(6.27ms)

2

2∗9.81m /s2

18


k : −0.303


t 1 : 8.06seg h : 0.169m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s


L: 13*0.3m: 3.9m ε pvc : 0.0015∗10−3m


Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.169m

8.145 seg :6.73∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 6.73∗10−4m3/segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 5.31 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9k v2


0.235m: 0.012361∗(5.31m / s)2∗3.9m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

12k∗(5.31ms)

2

2∗9.81m / s2

k : −0.302

1.4 Cálculo del coeficiente de perdidas locales en tubería de pvc ½” válvula de cortina

Datos:


t 1 : 5.43seg h : 0.137m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s


t 3 : 5.27seg L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m

19



Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.137m

5.27 seg :8.43∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 8.43∗10−4m3/ segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 6.65 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9k v2


0.705m: 0.012361∗(6.65m /s)2∗2m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

9k∗(6.65ms)

2

2∗9.81m /s2

k : −0.181


t 1 : 6.31seg h : 0.151m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s


L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m

tProme dio: 6.245seg f : 0.012361

Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.151m

6.245 seg :7.841∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 7.841∗10−4m3 /segπ (0.5∗0.0254m)2

4

: 6.19 mseg

ht : hf+hl

20


ht :

f v2L2 gD

+9 k v2


0.642m: 0.012361∗(6.19m /s)2∗2m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

9k∗(6.19ms)

2

2∗9.81m /s2

k : −0.179


t 1 : 7.81seg h : 0.160m ф: ½” μ26 ° : 0.893∗10−6m2/s


t 3 : 7.89seg L: 2m ε pvc : 0.0015∗10−3m


Q :∀t

:π (8∗0.0254 m)2

4∗0.160m

7.843 seg :6.616∗10−4 m

3

seg

V :QA

: 6.616∗10−4m3/segπ (0.5∗0.0254 m)2

4

: 5.22 mseg

ht : hf+hl

ht :

f v2L2 gD

+9k v2


21


0.497m: 0.012361∗(5.22m/ s)2∗2m

2∗9.81m /s2∗(0.5∗0.0254m)+

9k∗(5.22ms)

2

2∗9.81m /s2

k : −0.176

Conclusiones

f calculados Q1 Q2 Q3

f laboratorio 0.00102 0.000947 0.000874f colebrook 0.018445 0.018417 0.019594f nikurdase 0.012361 0.012361 0.012361f blaisus No aplica No aplica 0.019059

# Reino 104814 105667.41 75944

Al estudiar la perdida por fricción experimental, h f depende del material con que está construida la tubería, el estado en que esta la misma (nueva, usada muy usada), la longitud, el diámetro y la velocidad de circulación de flujo.

En los resultados obtenidos en el ensayo de pérdidas por fricción se observa una diferencia considerable al comprobar los valores de f laboratorioy los f teorico esto se debe a que no todos los datos se tomaron con precisión como por ejemplo errores de toma de altura y longitudes.

22


Al comparar los fobtenidos podemos concluir que el más cercano al f laboratorio

es el f nikurdase, ya que su fórmula está relacionada con el diámetro de la tubería y el coeficiente de rugosidad de este, por esta razón en los tres caudales se repitió el mismo valor.

El número de reino solo cumple en los dos primeros caudales para los f colebrook(4000≤ℜ¿ y f nikurdase(2.3∗104≤ℜ≤3.4∗106¿ ya que para estos casos la velocidad fue alta generando un numero de reino alto.

El f blaisus solo cumple para el tercer caudal debido a que la velocidad para este caso fue muy baja, es decir, a menor velocidad menos turbulencia y por lo tanto menor va a hacer el reino.

k calculados Q1 Q2 Q3

k laboratoriovalvulabola −0.157 −0.172 −0.1730k teoricovalvula debola 0.22 0.22 0.22k laboratoriocodo 90 ° −0.30 −0.303 −0.302k teoricocodo 90 ° 0.81 0.81 0.81

k laboratoriovalvula cortina −0.181 −0.179 −0.176k teoricovalvula cortina 1.4 1.4 1.4

El valor de k laboratorio en todos los casos dieron negativos puesto que las perdidas eran muy menores con relación a la longitud con la que ensayo, entonces a mayor longitud aumentaba el valor del lado derecho de la ecuación ht : hf+hl

Tomando como valor absoluto el valor de los k laboratorioconcluimos que el que más se aproximo fue el k de la válvula de bola para tubería de ½” de pvc.

Cabe decir que los distintos accesorios ensayados tienen distintos valores de k , ya que en distintas fuentes investigadas(libros, catálogos, guías) manejan diferentes valores debido de que este valor depende del material y de las especificaciones del fabricante, aunque se estén refiriendo a un mismo modelo( válvula, codo)

23


BIBLIOGRAFÍA

Martínez Saldaña, Yurico. (2011). Pérdida de carga en tuberías y accesorios.

Recuperado de http://es.slideshare.net/yuricomartinez/labo-4-prdida-de-carga-en-

tuberas-y accesorios?next_slideshow=1

Cálculo de pérdidas de carga en tuberías. Recuperado de

http://www.miliarium.com/Prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.asp

http://es.slideshare.net/yuricomartinez/labo-4-prdida-de-carga-en-tuberas-y%20accesorios?next_slideshow=1

http://es.slideshare.net/yuricomartinez/labo-4-prdida-de-carga-en-tuberas-y%20accesorios?next_slideshow=1

24


Informe de Laboratorio Hidráulica

Documents

Transcript of Informe de Laboratorio Hidráulica