INFORME LABORATORIO 2

PERDIDAS DE ENERGIA POR ACCESORIO

MATERIA:MECANICA DE FLUIDOS

INTRODUCCION

Cuando la tubera se ensanche bruscamente, el flujo lo hace de forma gradual, de manera que se forman torbellinos entre la vena lquida y la pared de la tubera, que son la causa de las prdidas de carga localizadas.

Aunque en la mayora de los casos las prdida de carga localizadas se calculan a partir de la ecuacin:hm =

empricamente.En este caso, el flujo contina convergiendo despus de la embocadura durante una cierta distancia, a partir de la cual se produce su ensanchamiento.Por tanto, se formarn turbulencias entre el flujo y las paredes de la tubera, y tambin entre stas y la vena lquida contrada, como se indica en la figura.

Los valores de K se obtienen a partir de la ecuacin hm =

OBJETIVOS

Conocer las posibles causas de las perdidas menores. Determinar la magnitud de la prdida de energa por accesorios y el coeficiente de perdida menor. Analizar la relacin que existe entre el caudal y el coeficiente de perdida menor

MARCO TEORICO

Las perdidas menores Se producen en transiciones de la tubera (contraccion o expansin) y en toda clase de accesorios (vlvulas,codos). En el clculo de las prdidas de carga en tuberas son importantes dos factores:Que la tubera sea lisa o rugosa.Que el fluido sea laminar o turbulento.

Cuando en las tuberas existen codos, vlvulas, etc., usualmente es necesario tener en cuenta las prdidas de altura a travs de estos accesorios, adems de las prdidas causadas por la friccin en las tuberas. Casi siempre se hace esto utilizando resultados experimentaIes. Esta informacin est dada en la forma

hm = Km Donde:

hv= prdida de carga localizada;V= velocidad media del fluidom= Coeficiente de perdida

Tomado del libro:(IRVING H. SHAMES, mecnica de fluidos, editorial mcgraw-hill, 3 edicion, P.335, enero 1995.)

De la ecuacin es obvio que la perdida de carga varia con el cuadrado de la velocidad. Ya sea para una expansin sbita o una contraccin sbita. Adems para todo tipo de accesorio, los valores de Km son encontrados en los textos de fluidos e hidrulica.

Cuando ocurre una EXPANCION SUBITA la velocidad del fluido disminuye abruptamente ocasionando una turbulencia que genera una prdida de energa, dicha perdida de energa se hace menor si se hace menos abrupta la expansin de tuberas por medio de bordes no cuadrados.

En la expansin sbita la tubera provoca un incremento en la presin de P1 a P2 y un decrecimiento en la velocidad de V1 a V2 La separacin y turbulencia ocurre cuando el flujo sale del tubo ms pequeo y las condiciones normales del flujo no se restablecen hasta una cierta distancia aguas abajo. Una presin P0 acta en la zona de remolinos y el trabajo experimental ha demostrado que P0 = P1.

Aplicando la ecuacin de conservacin de momentum segn la cual "la fuerza que acta sobre el fluido en la direccin del flujo es igual al cambio de momentum",

P1 a1 + Po (a2 - a1) - P2 a2 = Q (V2 - V1)

Como P0 = P1 y Q = a1 V1 = a2 V2 entonces,

(P1 - P2) a2 = a2 V2 (V2 - V1) (1)Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre las secciones (1) y (2),

+ prdidas

Si el tubo est dispuesto horizontalmente z1 = z2, entonces:

prdidas

Sustituyendo P1 - P2 de la ecuacin (1),Sustituyendo P1 - P2 de la ecuacin (1),

prdidas

ecuacin 2 Perdidas

Utilizando la ecuacin de continuidad se tiene que a1V1 = a2V2, o sea, V2 = a1V1 / a2. Sustituyendo V2 en la ecuacin (2), se expresan las prdidas menores (hm) en trminos de V1,

hm =

hm =

Y dado que

hme = Km

Siendo Kme (coeficiente de prdida por expansin)

Un caso especial ocurre cuando un tubo descarga en un tanque. El rea a1 del tubo es muy pequea comparada con el rea a2 del tanque; entonces,

Kme = y hm = Kme

Tomado de la pgina web:fluidos.eia.edu.co/.../perdidaslocalesentuberias/perdidaslocales.html

Y En la CONTRACCIN SUBITA al aproximarse el fluido a la trayectoria de contraccin la corriente total continua estrechndose durante cierta distancia ms all de la contraccin por lo tanto, la seccin de cruce mnimo de flujo es menor que la del conducto menor. La seccin donde ocurre esta rea del mnimo se denomina vena contracta. Ms all de la vena contracta, la corriente de flujo debe desacelerar y expandirse nuevamente para llenar el conducto. La turbulencia ocasionada por la contraccin y la posterior expansin genera la perdida de energa

El proceso de convertir carga de presin en carga de velocidad es bastante eficaz, de ah que la prdida de carga de la seccin (1) hasta la vena contracta (seccin de mayor contraccin en el chorro) sea pequea comparada con la prdida de la seccin de la vena contracta hasta la seccin (2), donde una carga de velocidad se vuelve a convertir en carga de presin. Por esto una estimacin satisfactoria de la prdida total hL , puede establecerse considerando nicamente la prdida debida a la expansin de las lneas de corriente. De la ecuacin (2),

hm =

con la ecuacin de continuidad, A2 Cc V0=V2 A2 donde Cc es el coeficiente de contraccin es decir el area del chorro en la seccin 0 dividida por el area de la seccin 2 la perdida de carga es

hm = Tomado del libro:(victor l streteer, Benjamn wyile, mecnica de los fluido, editorial mcgraw-hill, tercera edicin, p. 228 P. 229, mayo 1972)

ac Vc = a2 V2 Vc = (a2 V2)/ ac

ACCESORIOS DE TUBERAS

Los accesorios son piezas las cuales unidas a tubos forman lneas estructurales de tuberas de una planta de proceso. Entre las principales caractersticas de los accesorios se encuentran: Dimetros: Dimetro nominal mediante el cual se identifica al mismo y depende de las especificaciones tcnicas exigidas.1. Resistencia: Tolerancia a la tensin que puede aportar un determinado accesorio cuando el fluido esta en movimiento.1. Aleacin: Es el material o conjunto de materiales del cual est hecho un accesorio de tubera.1. Espesor: Es el grosor que posee la pared del accesorio de acuerdo a las normas y especificaciones establecidas.

Podemos encontrar que los accesorios ms comunes son:

1. Bridas1. Codos1. Te1. Reducciones V2 1. Cuellos o acoples1. Vlvulas1. Empacaduras1. Tornillos y niples.BRIDAS: Son accesorios de forma circular que se encuentra en el extremo de los tubos metlicos para acoplar unos a otros con tornillos o roblones.Tambin conectan tuberas con equipos (Bombas, intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos, vlvulas, etc.).

CODOS: Trozo de tubo, doblado en ngulo o en arco, que sirve para variar la direccin recta de una tubera

TE: Accesorios que se utiliza para efectuar fabricacin en lneas de tubera.

REDUCTORES: Se utilizan para disminuir el volumen del fluido a travs de las lneas de tuberas. Estos son accesorios de forma cnica, fabricados de diversos materiales y aleaciones.

VALVULAS: dispositivo mecnico empleado para controlar el flujo de un gas o un lquido, o en el caso de una vlvula de retencin para hacer que el flujo slo se produzca en un sentido. El tamao de estos mecanismos va desde las pequeas vlvulas de un neumtico de coche o de bicicleta hasta las vlvulas empleadas en esclusas y presas, que pueden tener dimetros superiores a los 5 metros. Las vlvulas de baja presin suelen ser de latn, hierro fundido o plstico, mientras que las vlvulas de alta presin son de acero fundido o forjado. En el caso de que el fluido sea corrosivo puede ser necesario emplear aleaciones, como acero inoxidable. Las vlvulas pueden accionarse de forma manual, a travs de un servomecanismo o mediante el flujo del propio fluido controlado. Tomado de: ("Vlvula. " Microsoft Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007. )

EMPACADURAS: Se utilizado para realizar sellados en juntas mecanizadas existentes en lneas de servicio o plantas en proceso.

TAPONES: Son accesorios utilizados para bloquear o impedir el paso o salida de fluidos en un momento determinado. Usualmente son utilizados en lneas de dimetros menores.

BUJE: El buje es el elemento elstico que se interpone entre dos piezas mviles metlicas, permitiendo un suave desplazamiento entre ellas, reduciendo drsticamente la friccin

PROCEDIMIENTO

4. para la expansin se diseo una tubera de menor dimetro unida a una de mayor y se acomodo al banco hidrulico.

4. se puso en funcionamiento el banco hidrulico

4. se cambiaban las revoluciones del banco hidrulico para tomar las medidas de los piezmetros en cinco ocasiones

4. se procedi a ver qu caudal se haca referencia en cada toma de datos para el aforador de caudal para cada ocasin

4. as mismo se repiti el procedimiento para la compresin cambiando la tubera de dimetro mayor a menor.

RESULTADOS

Para la primera parte del laboratorio, en las perdidas menores por contraccin sbita los datos experimentales obtenidos son:

Contraccin sbita

Direccin de flujo del = 14mm al = 10mm

GrupoDatoh1 ( mm )h2 ( mm )Q ( L / min )

113401055,1

22501203,9

32051252,9

4335955,5

52601004,1

263851206,0

73501205,0

82501303,5

91901302,5

102401253,0

En la segunda parte en una expansin sbita, los datos experimentales encontrados son:

Expansin sbita

Direccin de flujo del = 10mm al = 14mm

GrupoDatoh1 ( mm )h2 ( mm )Q ( L / min )

1128905,5

2451008,5

3701253,5

41201604,5

51092153,1

265,01238,5

7751757,5

81102057,2

9135222,57,0

10232,53005,5

ANALISIS DE LOS RESULTADOS

Clculos:

Con los datos obtenidos experimentalmente podemos calcular el valor Kmc o factor de perdida por contraccin:

hm =

Donde:

hm son las perdidas menores, y se puede calcular con los datos experimentales obtenidos:

hm =

hm =

V2 es la velocidad de salida del fluido, donde el rea de la seccin es el rea pequea de la tubera y se calcula:

Como los caudales son iguales

Q1 = Q2

Entonces

Q = a2 V2

V2 =

g es la gravedad y es una constante ( g = 9,81 m/seg )

Ya obtenidos los valores de hm y V2 la ecuacin nos quedara

hm =

Kmc =

Para la segunda etapa (expansin sbita) los clculos son los mismo lo nico que cambia es que no utilizamos la velocidad 2 si no la velocidad 1, en ltima instancia nos quedara:

Kme =

Para nuestro dato 1 de la primera etapa de laboratorio (contraccin sbita), los clculos seria los siguientes:

Contraccin sbita

Direccin de flujo del = 14mm al = 10mm

Datoh1 ( mm )h2 ( mm )Q ( L / min )

13401055,1

Primero determinamos hm:

hm =

hm =

hm =

hm = 235mmx

hm = 0,235m

Pero primero calculamos A2

A2 =

A2 =

A2 = 78,5398mm2 x

A2 = 0,0000785398m2

Pasamos el Q de L/min a m3/seg

Q =5,1 L/min x x

Q = 0,0000850 m3/seg

Ahora s, teniendo A2 y Q hallamos V2

Como Q1 = Q2 entonces

Q = A2 V2

V2 =

V2 =

V2 = 1,082253838 m3/seg

Ya obtenidos los valores de hm y V2 calculamos Kmc, la ecuacin nos quedara

hm =

Kmc =

Kmc =

Kmc = 3,95

Para los dems datos de la primera etapa del laboratorio los resultados de los clculos serian:

Contraccin sbita

Direccin de flujo del = 14mm al = 10mm

GrupoDatoh1 ( mm )h2 ( mm )hm ( mm )Q ( L / min )Velocidad2 ( m / seg )Km

113401052355,11,0822538383.937

22501201303,90,8276058763.724

3205125802,90,6153992414.145

4335952405,51,1671364923.457

52601001604,10,8700472034.147

263851202656,01,273239813.207

73501202305,01,0610331754.009

82501301203,50,7427232224.268

9190130602,50,5305165874.183

102401251153,00,6366199055.567

Para nuestro dato 1 de la segunda etapa de laboratorio (expansin sbita), los clculos se realizaran de igual, pero con una velocidad 1

expansin sbita

Direccin de flujo del = 10mm al = 14mm

GrupoDatoh1 ( mm )h2 ( mm )hm ( mm )Q ( L / min )Velocidad2 ( m / seg )Km

112890625,51,167136490,89299165

245100558,51,80375640,3316698

370125553,50,742723221,95617492

4120160404,50,954929860,86062915

51092151063,10,657840571,13343784

265,01231188,51,80375640,71158247

7751751007,51,591549760,77456623

8110205957,21,527887770,79843524

9135222,587,57,01,485446440,77802412

10232,530067,55,51,167136490,97220865

GRAFICAS

Para la primera parte de la prctica (contraccin sbita) la relacin Kmc vs Q:

Kmc Vs Q

La grafica permite analizar que en la contraccin sbita que en caudales grandes el coeficiente de perdida menor tiende a disminuir. Pero en caudales pequeos sucede lo contrario ya que el coeficiente de prdida es mayor.

La relacin hmc VS Q:

As tambin experimentalmente se tiene que la perdida de altura o perdidade energa tiene una relacin casi lineal al caudal.

En la segunda parte del laboratorio (expansin sbita) se relaciona Kme vs Q:

Los datos no muestran una relacin muy clara ya que a mayor caudal menor es el coeficiente de perdida y cuando este es menor el coeficiente de prdida es mayor

CONCLUSIONES

los elementos que controlan la direccin o el flujo volumtrico del fluido en un sistema generan turbulencia local, lo que ocasiona que la energa se disipe como calor. Estas prdidas son ocasionadas por accesorios, por lo general son muy pequeas a comparacin de las perdidas por friccin, por ende reciben el nombre de perdidas menores. Para la expansin y la compresin se observa que a mayor caudal siempre se ha de tener un coeficiente de perdidas menor mucho ms bajo para cada caso, es decir el coeficiente de perdidas menor es inversamente proporcional al caudal. As tambin experimentalmente se tiene que la prdida de altura o prdida de energa tiene una relacin casi lineal al caudal que se podra denominar directamente proporcional.

BIBLIOGRAFA

(IRVING H. SHAMES, mecnica de fluidos, editorial mcgraw-hill, 3 edicion, p. 329. P.335, enero 1995.)

(victor l streteer, Benjamn wyile, mecnica de los fluido, editorial mcgraw-hill, tercera edicin, P. 228. P 229, mayo 1972)

("Vlvula. " Microsoft Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007. )

Pagina web:

www.fluidos.eia.edu.co/.../perdidaslocalesentuberias/perdidaslocales.html