LABORATORIO # 4

INFORME LABORATORIO 4 “Pérdidas por fricción en Accesorios”

INTRODUCCIÓN

Este laboratorio se realizó con el fin de determinar las pérdidas por fricción en accesorios tipo codos, Tés, etc., determinar experimentalmente el valor promedio de las constantes para cada uno de los aditamentos utilizados: codos de 90°, codos de 45°, Tés u otros accesorios, comparar los resultados obtenidos con los reportados por literatura, calcular la longitud equivalente de cada uno de los codos, tés, etc., y comparar los datos con los hallados en la bibliografía.

MARCO TEÓRICO

Los sistemas de flujo de un fluido 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. La realización de este informe de laboratorio tiene como propósito identificar, analizar y calcular las pérdidas por fricción de un fluido en un sistema con tuberías y accesorios.

Las pérdidas por fricción se presentan porque al estar el fluido en movimiento habrá una resistencia que se opone a dicho movimiento (fricción al fluir), convirtiéndose parte de la energía del sistema en energía térmica (calor), que se disipa a través de las paredes de la tubería por la que circula el fluido. Las válvulas y accesorios se encargan de controlar la dirección o el flujo volumétrico del fluido generando turbulencia local en el fluido, esto ocasiona una pérdida de energía que se transforma en calor. Estas últimas pérdidas son consideradas perdidas menores ya que en un sistema grande las pérdidas por fricción en las tuberías son mayores en comparación a la delas válvulas y accesorios. Las pérdidas y ganancias de energía en un sistema se contabilizan en términos de energía por unidad de peso del fluido que circula por él. Esto también se conoce como carga (h):

h_A = Energía que se agrega al fluido con un dispositivo mecánico; es común que se le denomine carga total sobre la bomba.

h_R = Energía que se remueve del fluido por medio de un dispositivo mecánico.

h_L = Pérdidas de energía del sistema por la fricción en las tuberías, o pérdidas menores por válvulas y otros accesorios.

La magnitud de las pérdidas de energía que produce la fricción del fluido, las válvulas y accesorios, es directamente proporcional a la carga de velocidad del fluido. Esto se expresa en forma matemática así:

 El término K es el coeficiente de resistencia.

MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS

Para la realización de esta práctica se utilizaron los siguientes materiales:

Banco de fluidos con las siguientes características:

En la parte superior del banco hay instaladas 5 líneas de tuberías, tres metálicas y dos plásticas.

Seguidamente existe una línea de tubería plástica con tres válvulas y una serie de accesorios.

Luego hay instalada otra tubería plástica, con dos medidores de caudal y otra serie de accesorios, codos de 90°, codos de 45°, Tés con flujo a través de un tramo, Tés con flujo a través de un ramal.

En la parte izquierda del Banco está instalado el medidor principal de caudal y la columna manométrica de tipo líquido y hay disponibilidad para la medida de la presión con tubos Bourdon

En la parte inferior del Banco está la bomba y el depósito de agua, allí se encuentra los switch de prendido y apagado.

Un grupo de personas dispone de los siguientes elementos:

-          Cronómetros.

-          Beaker plásticos de 1000 mL.

-           

Para ello se llevó a cabo el siguiente procedimiento:

1° - Revisar si el nivel del agua en el depósito es el indicado para su correcta operación y verificar la instalación eléctrica.

2° - Determinar los diferentes acoples para la instalación de las tomas de presión.

3° - Anotar los datos iniciales de la columna de mercurio.

4° - Coloque en posición abierta todas las válvulas del sistema y prenda la bomba.

5° - Verifique la ausencia de aire en el sistema y elimine éste manteniendo el banco en funcionamiento durante varios minutos (5 a 6 minutos).

6° - Revise la buena operación del medidor principal de caudal.

7° - Considerando el tramo de tubería a utilizar, es decir aquella donde están ubicados los accesorios a usar, cierre una a una las válvulas de los tramos que no sean de interés.

8° - Espere que el sistema se estabilice.

9° - Tomar para cada sector del accesorio a medir los valores de presiones con los dos manómetros disponibles y varíe el caudal diez veces, tomando simultáneamente el aforo con el beaker y tome nota del tiempo.

10° - Inicie con flujos bajos y aumente éste o con flujos altos y luego disminuya el caudal, tomando para cada uno de ellos los datos de las presiones, caudales, volúmenes y tiempos.

11° - Cada vez que cambie el accesorio, cierre completamente la válvula que regula el flujo y apague la bomba.

12° - A continuación instale los medidores de presión en el nuevo accesorio a usar y repita el procedimiento descrito.

Al terminar la práctica, cierre lentamente la válvula que controla el flujo y suspenda el circuito eléctrico.

A continuación se presenta la descripción del equipo el cual tenía como fin el paso de un fluido con un determinado caudal midiendo la presión cada vez que el fluido pasaba por uno de los accesorios para determinar sus pérdidas por accesorios, y tuberías.
Los accesorios utilizados en la práctica fueron los siguientes con su respectiva descripción:

ACCESORIO O TUBERIA	DESCRIPCION	IMAGEN
1. Válvula globo	Las válvulas tipo globo a diferencia de las válvulas de compuerta, permiten aplicarlas en regulación de fluidos y realizan un cierre hermético cuando cuenta con un asiento flexible. Las válvulas globo tienen la ventaja de regular, pero tienen la desventaja de que al detener cierta parte del fluido para regularlo, generan una caída de presión dentro de la línea lo que debe de ser considerado en los cálculos técnicos para que esta clase de válvulas y otras circunstancias que hay dentro de la línea no impidan que el fluido deba de llegar hasta donde se requiere. Las válvulas de globo son más costosas que las compuertas y mucho menos comunes.
2. Tubo Venturi	El tubo de Venturi se utiliza para medir la velocidad de un fluido incompresible. Consiste en un tubo con un estrechamiento, de modo que las secciones antes y después del estrechamiento son A1y A2, con A1 > A2. En cada parte del tubo hay un manómetro, de modo que se pueden medir las presiones respectivas p1 y p2.
3. Válvula de compuerta	Las válvulas de compuerta se utilizan principalmente para dejar pasar o no un fluido (ON-OFF) y no están diseñadas para regularlo lo que indica que deben estar completamente abiertas o completamente cerradas para que sus interiores (asiento y cuña) no sean desgastados prematuramente por el fluido y su presión y así evitar que tenga fugas. Las válvulas de compuerta son bidireccionales y de paso completo, también pueden ser con vástago fijo o vástago saliente según los espacios que se tienen disponibles en las líneas para su instalación.
4. Válvula de bola	Las válvulas de bola o esfera, por sus características principales, son un tipo de válvula muy versátil en el manejo de fluidos lo que le permite ser una de las válvulas más populares dentro de la industria. Precisamente su cierre rápido de ¼ de vuelta ordinariamente con una palanca permite que su operación sea muy sencilla para quien la opera además de que su diseño es más pequeño que las válvulas de compuerta. Las válvulas de bola deben de ser utilizadas para dejar o no pasar un fluido (ON-OFF), de otra forma si se deja parcialmente abierta el fluido y la presión del mismo desgastara partes de la válvula que con el tiempo según sus condiciones de operación (fluido-presión-temperatura) averiaran los interiores de la válvula dando lugar a fugas indeseables.
5. Tubería de Cobre ¾”	Es mayormente utilizado Para la instalación de sistemas de gas y gasodomésticos, las soldaduras de tubería de agua se realizan con soplete de gas que proporciona la llama para fundir el material, lo cual permite un acabado sin tanta pérdida por fricción.

El procedimiento se llevó a cabo con el fin de pasar un fluido con un determinado caudal midiendo la presión cada vez que el fluido pasaba por uno de los accesorios para determinar sus pérdidas por accesorios, y tuberías.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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

ACCESORIO O TUBERIA	DIFERENCIAL DE PRESION (mm Hg)	DIFERENCIAL DE ALTURA (inch Hg)	VOLUMEN (ml)	TIEMPO (seg)	CAUDAL TEORICO (gpm)
Válvula Globo	61 – 47 = 14	5,09	1760	7,10	4,5
Tubo Venturi	55,5 – 54,7 = 0,8	0,53 – 0,48 = 0,05	1720	6,02	5,5
Válvula de Compuerta	55,7 – 54,2 = 1,5	0,7 – 0,63 = 0,07	1560	7,02	4,2
Válvula de Bola	54,5 – 53,8 = 0,7	0,77 – 0,55 = 0,22	1680	6,39	4,6
Tubería de Cobre	55,5 – 54,5 = 1	0,56 – 0,38 = 0,18	1530	5,84	4,8

Otros de los datos obtenidos fueron:

DIAMETRO INTERNO VALVULA GLOBO = 1/2 inch

LONGITUD TUBERIA DE COBRE = 3m

DIAMETRO DE REDUCCION TUBERIA DE COBRE => Di = 2cm ; De = 4cm

Con los datos anteriormente tabulados se realizaron algunos cálculos y se obtuvieron los siguientes resultados:

ACCESORIO O TUBERIA	CAUDAL EXPERIMENTAL (ml/s)	CAUDAL EXPERIMENTAL (m3/s)	CAUDAL TEÓRICO (m3/s)	K	PERDIDAS POR ACCESORIOS  hL (m)
Válvula Globo	247,89	0,00024789	0,0002835	340*0,027 = 9,18	0,11
Tubo Venturi	285,71	0,00028571	0,0003465	0,25	0,01
Válvula de Compuerta	222,22	0,00022222	0,0002646	8 * 0,027 = 0,216	2,12x10-3
Válvula de Bola	262,91	0,00026291	0,0002898	150*0,027 = 4,05	0,06
Tubería de Cobre	261,98	0,00026198	0,0003024	0,5	6,8x10-3

Los datos de la anterior tabla se obtuvieron mediante las siguientes ecuaciones:

Los valores de Le/D se encuentran en las tablas 7/8 de pérdidas al igual que el valor ft.

Área para válvula globo, válvula de compuerta, válvula de bola y tubería de cobre= 5,07x10^-4

Área tubo Venturi = 3,14x10^-4

El valor del coeficiente de fricción es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad independiente de un material. Depende además de factores como la temperatura, el acabado superficial de los cuerpos en contacto, la velocidad relativa entre éstas, la fuerza normal, entre otros. Los materiales (tuberías) tienen propiedades tales como la rugosidad, la cual es importante en la determinación de las pérdidas por fricción.

El factor de fricción depende de la velocidad, el diámetro de tubería, la densidad, la viscosidad y de la rugosidad de la superficie del conducto (el flujo turbulento) la cual depende del tipo de material y del acabado del mismo. Este factor es mayor para flujos turbulentos.

La pérdida de presión se debe a la intervención de las tensiones de corte provocadas por la viscosidad del fluido, la fricción interna entre las capas del fluido y entre el fluido y las paredes del tubo.
Los errores obtenidos para las pérdidas primarias son absurdos. Los errores en la toma de medidas por parte de los estudiantes y  mal manejo en la calibración en la calibración del equipo.

Para las perdidas secundarias las cuales dependen del factor K el cual a su vez depende del factor de fricción que se determina según el diámetro de la tubería, y de la longitud equivalente en diámetro de conducto (L/D). Los errores obtenidos son demasiado grandes, esto se debe a las condiciones de las a un mal manejo del equipo la calibración del equipo, puede deberse al manejo de cierre/abertura de válvulas lo que nos permitió medir las pérdidas reales primarias, mientras que, las pérdidas secundarias que no se tuvieron en cuenta como la salida del tanque. También el problema de las mediciones se puede deber a una mala calibración de los equipos de medición.

CONCLUSIONES

Ø  El valor del coeficiente de fricción es característico de cada par de materiales en contacto, depende de la velocidad, el diámetro de tubería, la densidad, la viscosidad y de la rugosidad de la superficie del conducto (el flujo turbulento) la cual depende del tipo de material y del acabado del mismo, además de que partiendo de los resultados obtenidos se pudo establecer que se presentaron falencia en las tomas de datos con respectos a los errores obtenidos ya que en su mayoría superan el 50%

Ø  Las pérdidas ocasionadas por válvulas, depende de su funcionamiento, los cierres bruscos provocan turbulencia, lo cual generara mayores pérdidas energéticas, además de que se debe según el estrangulamiento que presente ya que entre mayor es el estrangulamiento mayor es la pérdida.

Ø  La pérdida de presión se debe a la intervención de las tensiones de corte provocadas por la viscosidad del fluido, la fricción interna entre las capas del fluido y entre el fluido y las paredes del tubo, dependiendo del flujo que se esté manejando

REFERENCIAS

PEREZ D. Pérdidas por fricción en tuberías y accesorios. Consultado en https://www.academia.edu/5440138/P%C3%89RDIDAS_POR_FRICCI%C3%93N_EN_TUBER%C3%8DAS_Y_ACCESORIOS

ANONIMO. Válvulas y medidores de flujo. Consultado en http://www.valvulasymedidores.com

UNIVERSIDAD DE SEVILLA. Tubo Venturi. Consultado en http://laplace.us.es/wiki/index.php/Tubo_de_Venturi

ENLACE EXTERNO (YOUTUBE)

https://www.youtube.com/watch?v=6hKCLCSpdpE