02. informe - accesorios

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ACCESORIOS HIDRAULICA

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INFORME No. 2 LABORATORIO DE HIDRALICAACCESORIOS EN TUBERAS

Presentado por:LADY CAROLINA CASTRO MALAVERCd. 5500005

Presentado a: PROFESOR FELIPE LEAL

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADAFACULTAD DE INGENIERIAINGENIERIA CIVILBOGOTMARZO 2015

1. MARCO TERICOEn el diseo y construccin de una red de tuberas es indispensable el uso de elementos complementarios, tales como: codos, tees, yees, uniones, vlvulas, ensanchamientos, contracciones, etc.; que permiten adecuar el sistema a las condiciones del terreno y de las necesidades de operacin del mismo. Los accesorios complementarios al introducirse generan prdidas localizadas de energa a lo largo de la tubera. Estas prdidas localizadas o perdidas menores, estn expresadas en funcin de la energa cintica (carga de velocidad inmediatamente aguas abajo) y de un coeficiente correspondiente al tipo de accesorio. La ecuacin general de prdida local es:

Donde Prdida de energa Coeficiente adimensional que depende del tipo de accesorio o aditamento. En general la carga de velocidad, aguas debajo de la zona de alteracin del flujo.

1.1. Cambios suaves

1.1.1. Prdida por ampliacin. Esta se origina al producirse una ampliacin de la seccin transversal del tubo. El coeficiente depende de la brusquedad de la ampliacin y para encontrarlo se usa la frmula de Borda Carnot.

Donde depende del angulo del difusor.Con el fin de evitar fenmenos de cavitacin, el ngulo del difusor deber ser:

Dnde:

Para ampliaciones bruscas se usa la misma frmula con .Ahora bien, la figura 1, se observa la relacin entre el coeficiente k en funcin del ngulo .

Figura 1: Coeficiente de prdida para expansin suave. (Munson B.R. et al., 1994)

La prdida mnima de energa se obtiene para ngulos de difusin ; para una ampliacin brusca es tan confiable como la gradual.

1.1.2. Perdida por reduccin.Para este caso se produce un fenmeno de contraccin similar al de entrada a la tubera, el cual tambin es gradual. Si bien en este caso la prdida es inferior a la de la ampliacin, dependiendo de la brusquedad con que se efecte la contraccin, el coeficiente de prdida es dependiente del ngulo al cual esta se produzca. De acuerdo con la siguiente tabla se establece el valor de k en funcin del ngulo :

4 - 5 71015202530354045607580

K0.60 0.0050.160.160.180.200.220.240.260.280.300.320.340.35

Tabla 1: Coeficiente de prdida por reduccin gradual del ngulo

Con el objeto de evitar prdidas grandes, el ngulo de reduccin no debe exceder de un valor especificado. Este ngulo se calcula mediante la ecuacin:

Donde

En este caso , si la contraccin es brusca se usan los coeficientes de

1.1.3. Venturmetro.El tubo Venturi, se utiliza para medir caudales en las conducciones, consiste en un tubo corto convergente que lleva el fluido a una seccin cilndrica llamada garganta la cual se halla seguida de una seccin divergente, de igual dimetro al de entrada. Es por principio un medidor de rea constante y de cada de presin variable

Figura 2: Venturmetro en una tubera Modificada de , 1985Los tubos Venturi constan de tres partes principales, como se aprecia en la Figura 11. La entrada de forma cnica convergente, entre secciones (1) y (2).2. La garganta de forma cilndrica.3. El difusor de forma cnica divergenteSe le colocan orificios para medir la presin a la entrada y en la porcin cilndrica de la garganta.Con y como cargas de posicin de las secciones 1 y 2, respecto de un plano de referencia cualquiera, la ecuacin de Bernoulli resulta ser:

Dnde:, Cota del eje de la seccin (1) y (2) respectivamente., Cabeza de presin en la seccin (1) y (2) respectivamente., Velocidad en la seccin (1) y (2) respectivamente.

Para una tubera horizontal:

Cota piezomtrica en la seccin (1). Cota piezomtrica en la seccin (2). Diferencia de presiones entre la entrada y la garganta.Por otra parte, de la ecuacin de continuidad, tenemos que:

Se substituye la ecuacin de continuidad en la de Bernoulli y se obtiene:

Caudal terico

Las ecuaciones 13 y 14 fueron derivadas para el caso de un fluido ideal, sin friccin; sin embargo, teniendo en cuenta los efectos de friccin y por la consecuente prdida de carga, la velocidad real ser menor y por ende el caudal real ser tambin menor. Para considerar este efecto se utiliza el coeficiente de velocidad , determinado experimentalmente, as la velocidad real en la seccin (2) es:

Depende de Reynolds en la seccin 2. Y de la relacin entre los dimetros en la tubera y la garganta, como se observa en la Figura 2

Figura 2: Coeficiente de velocidad para un Venturi. , 1985

Y en trminos de la deflexin en el manmetro de mercurio, el caudal real es:

Para corregir los errores cometidos, en la no inclusin de la prdida de carga y que , la ecuacin anterior se afecta de un coeficiente Adems, con:

Donde es la relacin es el grado de estrangulamiento, se obtiene finalmente:

El coeficiente depende del grado de estrangulamiento , de los efectos viscosos y rugosidad del tubo, contenidos en los trminos de prdida de energa y, adems del tipo de venturmetro.Para estos accesorios el nmero de Reynolds es:

Donde es el dimetro de la seccin estrangulada, la velocidad media en la misma, y la viscosidad cinemtica del fluido.La Ecuacin de patronamiento del medidor: es:

1.2. Cambios bruscos

1.2.1. Perdida por ensanchamiento brusco del tubo.Se puede observar una variacin del dimetro de la tubera bruscamente, de tal manera que el rea del tubo ha cambiado de a un rea mayor . Estos cambios bruscos ocasionan una prdida de energa por efecto de la separacin del lquido de las paredes y la formacin de grandes turbulencias que son de ndole diferente a la friccin.

Figura 3: Coeficiente de prdida K para una expansin brusca. .

1.2.2. Perdida por reduccin brusca del tuboSe observa una variacin del dimetro de la tubera bruscamente, donde el rea del tubo ha cambiado de un rea la cual es mayor a un rea . Estos cambios bruscos ocasionan una prdida de energa.

Figura 4: Coeficiente de prdida K para una reduccin brusca. .

1.2.3. Perdida por entrada.A la entrada de las tuberas se produce una prdida por el efecto de contraccin que sufre la vena lquida y la formacin de zonas de separacin. El coeficiente depende, principalmente de la brusquedad con que se efecta la contraccin del chorro.

Figura 5: Esquemas de accesorios de entrada

La entrada elptica es la que produce el mnimo de prdidas. Si el tubo es de seccin circular la ecuacin de la elipse de entrada es

Si es de seccin rectangular la ecuacin resulta ser:

1.2.4. Perdidas en cambio de direccin.Si se visualiza el flujo en un cambio de direccin, se observa que los filetes tienden a conservar su movimiento rectilneo en razn de su inercia. Esto modifica la distribucin de velocidades y produce zonas de separacin en el lado interior y aumentos de presin en el exterior, con un movimiento espiral que persiste en una distancia de 50 veces el dimetro. Si el cambio de direccin es gradual con una curva circular de radio medio y rugosidad absoluta , para obtener el coeficiente de prdida se usa para la grfica de Hoffman que, adems toma en cuenta la friccin en la curva donde:

Si el tubo es liso se usa la grfica de .Para curvas rectangulares en ductos rectangulares, se emplea la frmula de :

Si el cambio de direccin es brusco, el coeficiente de prdida depende del nmero de Reynolds, de , para diferentes ngulos.

1.2.5. Perdidas por bifurcacin (yee, tee, cruz).La prdida de energa en una bifurcacin de conductos depende adems del ngulo que forma la tubera secundaria con la muestra de la relacin entre los dimetros de ambas tuberas y de la direccin de la corriente. Dicha prdida es mayor en la unin que en la bifurcacin y se expresa como un porcentaje de la carga de velocidad, lo que demuestra que el coeficiente K es independiente del nmero de Reynolds.

1.2.6. Perdidas de carga en vlvulas.Los coeficientes de prdidas por vlvulas varan de acuerdo con el tipo y, para distintas posiciones, deben ser proporcionados por fabricantes.Las vlvulas pueden ofrecer una gran resistencia al flujo. De la misma forma si estn totalmente abiertas, habr una prdida de carga sensible, debida a su propia construccin.Para las vlvulas de compuertas totalmente abiertas, el valor de K puede variar desde 0.1 hasta 0.4 conforme a las caractersticas de fabricacin; 0.2 es un dato medio representativo.

1.2.7. Perdida de carga en la salida de las tuberas.Dos situaciones pueden ocurrir en el punto de descarga de las tuberas. Si la descarga se efecta al aire libre habr un chorro a la salida de la misma, perdindose precisamente la energa de velocidad . Si la tubera entra en un depsito, receptculo o tanque, habr un ensanchamiento de seccin, en el caso de que la prdida corresponda a un valor de K comprendido entre 0,9 y 1,0

2. PROCEDIMIENTOPara realizar la toma de datos de cabeza de presin se procedi como sigue:2.1. Se encendi una bomba de suministro de agua para el tanque elevado, luego, se abri la vlvula reguladora de caudal con tres vueltas. 2.2. Se abri la vlvula correspondiente al piezmetro 15 y se tom la lectura inicial (Ho).2.3. Se realiz la purga de los piezmetros para dar inicio con la prctica. 2.4. Se identific el sistema de cambios suaves y el sistema de cambios bruscos.2.5. Se realiz la toma de medidas: dimetros y distancias entre piezmetros. 2.6. Seguidamente, se estableci un primer caudal y se da inicio a la toma de cotas piezometricas primero para cambios suaves y luego para cambios bruscos, leyendo las medidas en el manmetro de mercurio.2.7. Se ley la lectura correspondiente al nivel del tanque fina.2.8. Se regula nuevamente el caudal y se inicia nuevamente el procedimiento.

3. TOMA DE DATOS3.1. Cambios Suaves.PiezmetroDimetro (cm)AccesorioDistancia (cm)Q1Q2Q3

150entrada0113,187113,2

82,54unin70,5110,888,4111,2

162,54unin60,5110,487,7111

92,54unin26,5107,389,5110,6

102,54Expansin16,5106,690110,9

187,62unin75,5110,188,6111

207,62unin6011090,3110,9

117,62unin47110,191,1111,1

127,62reduccin17109,491,6110,7

222,54unin36,5108,991,2110,4

242,54unin59,5108,690,9110,1

132,54unin25104,390,8106,9

142,54venturi432,445,456,3

260,635unin8910,332,841,6

282,54codo 9079,58,831,740,4

302,54salida67,51,9113,135,9

Hv4343,243,2

Ho38,338,338,3

H4,74,94,9

Tabla 2. Datos Obtenidos en el laboratorio para cambios suaves en cmHg.3.2. Cambios Bruscos.PiezmetroDimetro (cm)AccesorioDistancia (cm)Q1Q2Q3

152,54entrada + Vlvula0112,625,8113

12,54union70,5106,328,3110,3

172,54union60,5105,228,1109,9

22,54union26,5104,125,7109,4

37,62Expansin16,5103,928,8109,1

197,62union75,5104,229109,4

217,62union60104,431,6109,4

47,62union47103,333,1109,5

52,54reduccin17103,132,7108,9

232,54union36,5100,833,2107,8

252,54union59,5100,135,3107,6

62,54union2597,634,2106,5

70,635venturi44,36,366,8

272,54union8923,618,974,8

292,54codo 9079,520,72,873,7

302,54salida67,52,820,466,7

Hv (cm)44,344,343,3

Ho (cm)38,338,338,3

H (cm)665

Tabla 3. Datos Obtenidos en el laboratorio para cambios suaves en cmHg.

4. RESULTADOS

4.1. Lnea Piezomtrica y lnea de energa.Para calcular la lnea piezomtrica se grafic distancia entre piezmetros vs. Cabezas de presin y para la lnea de energa los datos obtenidos para la cabeza de velocidad se le sumo la cabeza de presin y se grfico en el eje vertical vs. La distancia entre piezmetros.

Figura 5. Lnea de energa y Lnea piezomtrica para cada uno de los caudales en cmHg.

Figura 6. Lnea de energa y Lnea piezomtrica para cada uno de los caudales en cmHg.4.2. Clculo de prdidas menores

Para realizar el clculo por prdidas menores debidas a

Figura 7. Grfica para cambios suaves.

Figura 8. Grfica para cambios bruscos.

4.3. Comparacin de los valores k

4.4. Coeficiente Cd4.5. Cd vs. Q

5. CONCLUSIONES5.1.

BIBLIOGRAFA4.1. Medios Anlogos:4.1.1. HIDRULICA GENERAL; Gilberto Sotelo (1997)4.1.2. MECNICA DE FLUDOS; Yunus engel y John M. Cimbala (2012)4.2. Medios electrnicos: 4.2.1. http://www.uclm.es/area/ing_rural/trans_hidr/tema5.pdf4.2.2. http://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9rdida_de_carga4.2.3. https://www.youtube.com/watch?v=69u80b74CrI

Este accesorio se basa en la ecuacin de Bernoulli la cual indica que la velocidad en la parte estrecha de la canalizacin tiene que ser mayor que en la ancha, y por estar ambas a la misma altura, la presin en la parte ancha es mayor que en la estrecha. Por tanto, cuando un fluido incrementa su velocidad sin variar de nivel, su presin disminuye.

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