laboratorio 4 perdidas de carga primarias

8/13/2019 Laboratorio 4 Perdidas de Carga Primarias

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UNIVERSIDAD SAN SEBASTIÁNFACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERÍA CIVIL, INGENIERÍA CIVIL INDUSTRIAL

MECÁNICA DE FLUIDOS (INGE 1018)

LABORATORIO N° 4

Pérdidas de carga primarias

Autores:

Tomás MirFranco Pentenero

Valentina Rojas

Marisol Vera

Daniel Vera

[04-11-2013]



INTRODUCCIÓN

En la Mecánica de Fluidos, se estudian las propiedades y comportamiento de los fluidos,

para ello es factible realizar experiencias que permitan conocer el comportamiento de los

distintos tipos de sustancias.

Cuando el flujo pasa por las tuberías se producen pérdidas de presión como consecuenciade la fricción interna y la fricción entre el fluido y la pared. Al calcular las pérdidas de

presión se requiere el factor de fricción del tubo, un parámetro adimensional. La

determinación del factor de fricción del tubo se realiza con ayuda del número de Reynolds,

que describe la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas de fricción.

El HM 150.01 permite estudiar la relación entre la pérdida de presión como consecuencia

de la fricción en fluidos y la velocidad en el flujo del tubo, además se determinar el factor

de fricción del tubo.

El equipo de ensayo posee un tramo de tubo de pequeño diámetro en el que se genera un

flujo laminar o turbulento. A partir del caudal y la pérdida de presión se determina elnúmero de Reynolds y el factor de fricción del tubo. Con el flujo turbulento, la tubería es

alimentada directamente desde la alimentación de agua; con el flujo laminar, un tubo

vertical en el rebosadero se encarga de la presión inicial constante necesaria. El caudal

puede regularse por medio de válvulas.

Las presiones en el flujo laminar son registradas con 2 tubos manométricos. La presión en

el flujo turbulento es leída en un manómetro de aguja.

El equipo de ensayo se coloca de forma sencilla y segura sobre la superficie de trabajo del

módulo básico HM 150. El suministro de agua y la medición de caudal se realizan a través

del HM 150. Como alternativa, el equipo de ensayo también se puede conectar a la red dellaboratorio.

El material didáctico, bien estructurado, representa los fundamentos y guía paso a paso por

los distintos ensayos.



OBJETIVO

Pérdidas por fricción de tubo en un flujo laminar y turbulento.

Determinación del número de Reynolds crítico.



DESARROLLO

Principio de Bernoulli: El fluido en un sistema contiene energía en dos formas, energía

cinética en virtud del peso y de la velocidad y energía potencial en forma de presión. Daniel

Bernoulli, un científico Suizo demostró que en un sistema con flujos constantes, la energía

es transformada cada vez que se modifica el área transversal del tubo.

El principio de Bernoulli dice que la suma de energías potencial y cinética, en los varios

puntos del sistema, es constante, si el flujo es constante. Cuando el diámetro de un tubo se

modifica, la velocidad también se modifica.

La energía cinética aumenta o disminuye. En tanto, la energía no puede ser creada ni

tampoco destruida. Enseguida, el cambio en la energía cinética necesita ser compensado

por la reducción o aumento de la presión.

Teorema de Bernoulli: El teorema de Bernoulli aplicado a dos secciones de una tubería

que transporta un fluido, traduce en términos analíticos el principio de la conservación de la

energía.

La ecuación permite constatar que la variación de energía (pérdida) sucedida aguas arriba o

aguas abajo de la tubería, es debida a la variación de presión.

Ecuación de Continuidad: La ecuación de continuidad traduce, en flujo de fluido

incompresible el principio de conservación de la masa. [2]

Pérdidas primarias: Son las pérdidas de superficie en el contacto con la tubería (capa

límite), rozamiento de unas capas de fluido con otras (flujo laminar) o de las partículas de

fluido entre sí (régimen turbulento). Tienen un lugar en flujo uniforme, por tanto

principalmente en los tramos de tubería de sección constante.

Se supone una tubería horizontal de diámetro constante D por la que circula un fluido

cualquiera, cuya velocidad media es v, la energía en el punto 2 será igual a la energía en el

punto 1 menos la energía perdida (pérdida de carga) entre los puntos 1 y 2, es decir, se

cumple la ecuación de Bernoulli con pérdidas, que expresada en alturas equivalentes será:



Donde pérdidas primarias entre 1 y 2.

En el cálculo de pérdidas de carga en tuberías, juegan un papel discriminante dos factores:

el que la tubería sea lisa o rugosa, y el que el régimen de corriente sea laminar o turbulento.

Número de Reynolds: El número de Reynolds es un número adimensional utilizado en la

mecánica de fluidos para caracterizar el movimiento de un fluido.

Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En este caso, es la

relación entre los términos de inercia y los términos viscosos de las ecuaciones de Navier-

Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos.

El número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos.

Así por ejemplo en conductos si el número de Reynolds es menor de 2325 el flujo será

laminar, y si es mayor de 4000 el flujo será turbulento, si se encuentra en medio se conoce

como flujo transicional y su comportamiento no puede ser modelado. El mecanismo y

muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto

de especulación.

Este número recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo

describió en 1883, y viene dado por la siguiente fórmula:

Donde,

: Densidad del fluido.

: Velocidad del fluido.

: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido.: Viscosidad dinámica del fluido.

El flujo es laminar si las fuerzas viscosas son tan fuertes comparadas con las fuerzas de

inercia, que la viscosidad juega un papel importante para determinar el comportamiento del

flujo, las partículas del fluido parecen moverse en recorridos calmados definidos, o líneas

de corriente, y las capas infinitesimalmente delgadas del fluido parecen deslizarse sobre las

capas adyacentes.



El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles comparadas con las fuerzas de

inercia, las partículas del fluido se mueven en recorridos irregulares, los cuales no son ni

calmados ni determinados pero en su conjunto todavía representan el movimiento hacia

delante de la corriente total. [3]

Ecuación de Darcy-Weisbach: es una ecuación ampliamente usada en hidráulica, que

permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro de una tubería, dada

por:

Donde es la pérdida de carga debida a la fricción, calculada a partir de la fricción , la

relación entre la longitud y el diámetro de la tubería, la velocidad del flujo y la

aceleración debida a la gravedad.

Diagrama de Moody: representación gráfica en escala doblemente logarítmica del factor

de fricción del número de Reynolds y la rugosidad relativa de una tubería. Cuando el flujoes laminar, el factor de fricción depende sólo del número de Reynolds, y cuando es

turbulento también dependerá de la rugosidad relativa de la tubería, caso en el que se

representa una familia de curvas, una para cada valor del parámetro k/d, donde k es el valor

de la rugosidad absoluta (longitud de la rugosidad directamente medible en la tubería.

Equipo: Para realizar la práctica, se lleva a cabo con el módulo básico HM 150 y el HM

150.01. Estos equipos son para la medición de pérdidas de fricción en corrientes de flujo

laminar y turbulento. Para ello, la estructura del ensayo está esquemáticamente distribuida

sobre un panel de ejercicios. En ensayos sobre corriente laminar se emplea un depósito

elevado para el suministro de agua, mientras que en caso de corriente turbulenta, tiene lugar



directamente a través del módulo básico. El agua circula por un tramo de tubo en el que el

caudal puede regularse mediante válvulas de aguja.

Módulo básico HM 150.

Contiene un depósito volumétrico de medición, una caja de distribución, una válvula de

control de flujo, una válvula de cierre, una válvula de purga, un depósito y una bomba para

alimentación de los módulos adicionales. El depósito de medición se usa para medir el

caudal volumétrico. Contiene, además, un canal en el que pueden instalarse diferentes

placas para el vertedero. El equipo está colocado sobre un bastidor móvil y, gracias al

circuito cerrado del agua, es independiente de una toma de agua.



Módulo HM 150.01.

El sistema está compuesto por un tubo de cobre con un diámetro interior de 2mm y unalongitud de 400mm, tanque de medición de volumen, manómetro de mercurio, manómetro

de agua.

1. Tanque de medición de volumen. Consiste en eliminar al máximo la turbulencia

creada por la bomba centrífuga sumergible, para generar la corriente laminar.

Manteniendo un nivel constante de agua, garantiza una presión de admisión

igualmente constante en el tiempo.

2. Válvula de aguja. Llamada así por el vástago cónico que hace de obturador. El

desplazamiento de vástago, si es de rosca fina, es lento y el hecho de que hasta que

no se gira un buen número de vueltas la sección de paso del fluido es mínima,

convierte esta válvula en una buena reguladora de caudal, con poco desgaste ycavitación a grandes presiones diferenciales. Estas válvulas estas instaladas tanto en

el manómetro de mercurio como en el de agua empleadas como válvulas de purga o

de desagüe, localizadas también en el tubo de cobre y en el tanque de altura.



3. Manómetro diferencial. Manómetro de tubo U, formado por un tubo de vidrio

doblado en forma de U parcialmente lleno con un líquido de densidad conocida

(agua y mercurio en este caso), uno de sus extremos se conecta a la zona donde

quiere medirse la presión, y el otro se deja libre a la atmosfera. La presión ejercida

en el lado de alta presión produce el movimiento del líquido dentro del tubo, lo que

se traduce en una diferencia de nivel marcado como h. esta altura dependerá de la

presión y de la densidad del líquido en el tubo, como la densidad se conoce, puede

elaborarse una escala graduada en el fondo del tubo U calibrada ya en unidades de

presión.

4. Boquillas de toma de presión. Aquí se colocan las mangueras de conexión rápida

entre los manómetros, ya sea de agua o de mercurio, y el tubo de cobre.

Procedimiento:

Se manipula la válvula de descarga de agua para calibrar el manómetro a una diferencia de

0mm. Luego se vuelve a manipular con el fin de obtener una diferencia de alturas de los 2

tubos verticales del manómetro, registrando esa altura y 2 veces el tiempo en que se demora

en llenar 1 litro de un recipiente graduado, tomando el tiempo promedio para así calcular su

caudal y velocidad. Repetir esta secuencia con 5 alturas manométricas diferentes.

Datos experiencia:

( )



(Agua a 5°C)

(Agua a 5°C)

Ecuaciones:

Datos obtenidos:

MediciónAltura tubo

1 (m)

Altura tubo

2 (m)

Diferencia

(m)

Tiempo 1

(s)

Tiempo 2

(s)

1 0,29 0,345 0,055 172,69 170,37

2 0,258 0,348 0,09 114,72 113,74

3 0,24 0,35 0,11 101,5 101,46

4 0,216 0,35 0,134 81,72 81,16

5 0,188 0,352 0,164 68,72 68,03

(Tabla 1)

MediciónVolumen Tiempo 1

(s)

Tiempo 2

(s)

Tiempo

promedio

(s)

Caudal

(m3/s)(L) (m3)

1 1 0,001 172,69 170,37 171,53 5,8299E-06

2 1 0,001 114,72 113,74 114,23 8,7543E-06

3 1 0,001 101,5 101,46 101,48 9,8542E-06

4 1 0,001 81,72 81,16 81,44 1,2279E-05

5 1 0,001 68,72 68,03 68,375 1,4625E-05

(Tabla 2)

MediciónCaudal

(m3/s)

Velocidad

(m/s)Re

hv

(f=0,015)

1 5,8302E-06 0,82479759 1628,96167 0,09084417

2 8,7544E-06 1,23849833 2446,01381 0,2048298

3 9,8542E-06 1,3940783 2753,2817 0,25952346

4 1,2279E-05 1,73714063 3430,82415 0,40296956



5 1,4626E-05 2,06909927 4086,437 0,57169572

(Tabla 3)

MediciónCaudal

(m3/s)

Velocidad

(m/s)Re

Diferencia

hv (m)

Coef. De

fricción f1*

Coef. De

fricción f2**

1 5,8302E-06 0,82479759 1628,96167 0,055 0,00908149 0,039288832 8,7544E-06 1,23849833 2446,01381 0,09 0,00659084 0,02616502

3 9,8542E-06 1,3940783 2753,2817 0,11 0,00635781 0,02324499

4 1,2279E-05 1,73714063 3430,82415 0,134 0,00498797 0,01865441

5 1,4626E-05 2,06909927 4086,437 0,164 0,00430299 0,01566157

(Tabla 4)

*Por teoría. Los valores fueron obtenidos a partir de la Ley de Poiseuille ( ).

**Por laboratorio. Los valores fueron obtenidos a partir de la Ecuación de Darcy-Weisbach

(

), usando de las diferencias de alturas manométricas. [4]

Gráfico:

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0 1000 2000 3000 4000 5000

C o e f s .

d e f r i c c i ó n

Re

N° de Reynolds vs Coefs. de fricción

Re vs Coef. De fricción f1

Re vs Coef. De fricción f2



CONCLUSIONES

En este laboratorio, se aplicó el principio de Bernoulli en la determinación de la pérdida de

carga de una instalación. Este método es sencillo para la determinación de carga de un

sistema. Se aplicó la ecuación de Darcy-Weisbach para la instalación de las pérdidas de

carga.

De acuerdo a la gráfica, se obtuvo la lectura que caracteriza el comportamiento de los flujos

mencionados con el diagrama de Moody.

Según la teoría, sólo en la primera medición de la experiencia resultó ser un flujo laminar,

dado que su número de Reynolds resultó ser inferior a lo que se indica (Re<2325), en las

mediciones 2, 3 y 4 el flujo resultó ser transicional (2325<Re<4000) y en la medición 5

resulta ser un flujo turbulento, con número de Reynolds superior a 4000.



REFERENCIAS

[1]http://icc.ucv.cl/hidraulica/laboratorio/01Bernoulli.pdf

[2]http://fisica.laguia2000.com/dinamica-clasica/leyes-de-newton/principio-de-bernoulli

[3]http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/1994/1/INDICE-MIRIAM.pdf

[4]http://en.wikipedia.org/wiki/Darcy%E2%80%93Weisbach_equation

http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/1994/1/INDICE-MIRIAM.pdf





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