LABORATORIO # 3

INFORME LABORATORIO 3 “Pérdidas por fricción en Tuberías, con Flujo Laminar y Flujo Turbulento”

INTRODUCCIÓN

Este laboratorio se realizó con el fin de determinar las pérdidas primarias con flujo Laminar, determinar el Factor de Fricción experimental del tubo y comparar el factor de fricción experimental con el teórico.

MARCO TEÓRICO

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía debido a la fricción que hay entre el líquido y la pared de la tubería; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo.
En estructuras largas, las pérdidas por fricción son muy importantes, por lo que ha sido objeto de investigaciones teóricoexperimentales para llegar a soluciones satisfactorias de fácil aplicación.
Para estudiar el problema de la resistencia al flujo resulta necesario volver a la clasificación inicial de los flujos laminar y turbulento.

Osborne Reynolds (1883) en base a sus experimentos fue el primero que propuso el criterio para distinguir ambos tipos de flujo mediante el número que lleva su nombre, el cual permite evaluar la preponderancia de las fuerzas viscosas sobre las de inercia.

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía debido a la fricción que hay entre el líquido y la pared de la tubería; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo.

Cuando un fluido circula a través de una tubería, su contenido total de energía va disminuyendo paulatinamente, debido a la intervención de las tensiones de corte provocadas por la viscosidad del fluido. Esta pérdida de energía recibe el nombre de pérdida primaria, se registra sólo en los tramos rectos de la tubería y tiene gran importancia en el comportamiento energético del fluido. La magnitud de las pérdidas en una tubería dada es bastante diferente si el flujo es laminar o es turbulento, por lo que es indispensable conocer previamente qué tipo de flujo se presenta en cada caso.

El cálculo de las pérdidas se puede efectuar utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach, que establece:

h_L = (f  L  v²) / (2 g Φ)

Dónde:
h_L = pérdida primaria de energía, (m)
f = factor de fricción
L = longitud de la tubería, (m)
v = velocidad promedio en la sección transversal del conducto, (m/s)
g = aceleración de la gravedad, 9.81 (m/s²)
Φ = diámetro de la tubería, (m)

Cuando el flujo es laminar el factor de fricción se calcula con la expresión:

f= 64/Re

MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS

Para la realización de esta práctica se utilizaron los siguientes materiales: módulo Básico Gunt HM 150 con bomba centrífuga sumergible de 250 W de potencia y caudal máximo de 150, módulo Gunt HM 150.01, jarra de aforo y cronómetro.

Para ello se llevó a cabo el siguiente procedimiento:

1°- Instalar el Módulo HM 150.01 sobre el Módulo Básico HM 150, conectando la manguera de salida de la bomba en la tubería de empalme N° 9, y la manguera de salida del HM 150.01 al tanque del módulo básico.
Precaución: Comprobar que el nivel de agua en el depósito de la bomba, cubra la totalidad de la bomba sumergible.

2°- Cerrar la válvula N° 7, del by-pass N° 8 para flujo turbulento, y abrir las válvulas N° 10 y 11, del depósito vertical N° 6. Abrir también la válvula N° 2, de salida del módulo.

3°- Conectar las mangueras para medición de presión, desde la toma N° 12 hasta la columna de alta presión, y desde la toma N° 3 hasta la columna de baja presión. Abrir la válvula de purga de aire del medidor de columna.

4°- Poner en servicio la bomba, regulando el caudal con la válvula de salida de la bomba, de tal forma que se establezca un nivel constante en el rebosadero del depósito vertical. El ajuste preciso del nivel se hará con la válvula N° 10.

5°- Ajustar con la válvula N° 2 un caudal tal, que el medidor de columna de baja presión indique un nivel de cerca de 2 centímetros de columna de agua. Dadas las características del agua empleada en la experimentación, especialmente en lo que respecta a su viscosidad, que es muy reducida, deberá regularse un caudal tal, que el Número de Reynolds sea inferior a 2000. Para esto, se restringirá el paso de agua a través de la válvula N° 2, de forma que la velocidad sea inferior a 0.72 m/s. La velocidad se determina tomando un volumen aproximado de 2 litros en la jarra aforada suministrada, midiendo el tiempo empleado en la recolección. Estos datos se registran en la planilla correspondiente y se calcula el caudal y la velocidad. Se anotarán también los datos de presión suministrados por las columnas de alta y baja presión.

6°- Repetir el procedimiento tomando unas tres mediciones, aumentando el caudal con la válvula N° 2.

7°- Anotar los datos medidos durante la práctica y efectuar los cálculos indicados.

A continuación se presenta la descripción del equipo el cual permite estudiar la relación entre la pérdida de carga 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 una sección de tubo de pequeño diámetro en el que se genera un flujo laminar o turbulento. A partir del caudal y la pérdida de carga se determina el número 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. 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

       

Después de la toma de datos se obtuvieron los siguientes resultados:

A. Régimen turbulento (azul)
B.  Régimen laminar (verde)

Altura h1 (m)	Altura h2 (m)	Volumen (ml)	Tiempo (seg)	ΔPresión turbulento (bar)
-	-	750	36,98	0,22
-	-	130	27,06	0,018
-	-	310	18,78	0,1
-	-	315	43,91	0,17
35,8	23,7	140	86	-
25,5	16	150	26,7	-
24	12	200	31,41	-
19,5	4	210	21,41	-

Se realizaron algunos cálculos con las siguientes ecuaciones:

Datos:

Temperatura del agua, 17°C.
Densidad, ρ = 999  kg / m³
Peso específico, γ = 9800  N / m³.
Viscosidad cinemática, ʋ = 1.08 x 10^-6   m² / s.
Diámetro interior tubo N° 13,  Φ = 3 mm = 0.003 m.
Área interior tubo N° 3,  A = 7.07 mm2 = 7.07 x  10^-6  m².
Longitud de la tubería, L = 0.4 m.
Rugosidad ϵ = 1,5x10^-6

Régimen	hL Exp (m)	Q (m3/s)	V (m/s)	Re	fExperimental	fTeorico	hL Teórico (m)
Turbulento	2,25	2,03x10-5	2,87	7972,22	0,04	0,092	5,15
Turbulento	0,18	4,80x10-6	0,68	1888,89	0,06	0,115	0,36
Turbulento	1,02	1,65x10-5	2,33	6472,22	0,03	0,095	3,51
Turbulento	1,73	7,17x10-6	1,01	2805,56	0,25	0,107	0,74
Laminar	12,1	1,63x10-6	0,23	638,89	33,66	0,100	0,04
Laminar	9,5	5,62x10-6	0,79	2194,44	2,24	0,029	0,12
Laminar	12	6,37x10-6	0,90	2500	2,18	0,026	0,14
Laminar	15,5	9,81x10-6	1,39	3861,11	1,18	0,017	0,22

CONCLUSIONES

Ø  En las imágenes del marco teórico se puede observar el comportamiento del flujo laminar y flujo turbulento, en donde el flujo laminar se comporta como si fueran laminas delgadas y el flujo turbulento está caracterizado por un movimiento desordenado, no estacionario y tridimensional, además de que se puede apreciar el perfil de velocidad de cada uno de los comportamientos.

Ø  En las diferencias de perfiles se debe al movimiento que presenta cada uno de los regímenes, en donde la velocidad presenta más uniformidad en el laminar que en el turbulento debido al choque de moléculas presentes en la superficie del fluido, la forma del perfil depende del factor de fricción y este depende del número de Reynolds y la rugosidad del conducto que en este caso son tuberías 

Ø  Partiendo de los resultados obtenidos se puede observar que las perdidas primarias (Dinámicas) son debidas a la fricción que es generada por el aumento de presión y el tipo de material en el que está transitando el fluido, además de que si se compara el valor esperado contra el valor obtenido son muy parecidos en pocas palabras no superan un error muy alto para el régimen turbulento, mientras que el laminar presenta un error un poco mayor lo que demuestra que se presentan mayores pérdidas en un régimen laminar debido a diferentes factores como los son la viscosidad del fluido, la temperatura que se está manejando y la velocidad con la que está pasando el fluido.

Ø  Al momento de llevar a cabo la determinación del factor de fricción teórico se pudo identificar que no estaba muy alejado de la realidad de la situación ya que contempla todos los posibles factores que intervienen en el cálculo del mismo.

Ø  Por ultimo para el factor de fricción experimental se observa que depende principalmente de la velocidad, el diámetro de la tubería, el tipo de material el acabado que presenta el cual es un factor principal para los de régimen turbulento.

REFERENCIAS

BOTERO M. Perdidas por fricción en tuberías. Consultado en http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/fricci%C3%B3n/fricci%C3%B3n.htm

GUÍAS DE LABORATORIO. Mecánica de Fluidos. Universidad América 

ENLACE EXTERNO (YOUTUBE)

https://www.youtube.com/watch?v=-U5HlSh9qu0