Practica No 5[1][1]
- 1. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL LABORATORIO INTEGRAL I PRACTICA No. 5 y 6 “Obtención de Perdidas de Carga por Fricción en accesorios y válvulas” Integrantes del equipo: Ambriz Medina Brianda Indira Romero Parra Manuel de Jesús Profesor: Rivera Pasos Norman Edilberto Mexicali B.C, 08 de marzo de 2010 1
- 2. INDICE INTRODUCCION………………………………………………………………………3 OBJETIVOS……………………………………………………………………………..4 MOTIVACION……………………………………………………………………………4 MARCO DE REFERENCIA...……………………………………………….….. …….4 HIPOTESIS………………………………………………………………………………7 MODELO MATEMATICO……………………………………………………………….7 EQUIPO Y MATERIAL….……………………………………………………………….8 PROCEDIMIENTO……………………………………………………………………….9 DATOS OBTENIDOS EN LA MEDICIONES………………………………..………..10 RESULTADOS…………………………………………………………………….……..11 CONCLUSIONES……………………………………………………………………….21 REFERENCIAS………………….………………………………………………………21 2
- 3. INTRODUCCION Un fluido en movimiento presenta resistencia por fricción al fluir. Parte de la energía del sistema se convierte en energía térmica, que se disipa a través de las paredes del fluido, velocidad del flujo, tamaño de la tubería, acabado de la pared de la tubería y longitud de la misma. El comportamiento de un fluido, en particular en lo que se refiere a las pérdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento. Las pérdidas de energía se contabilizan en términos de energía por unidad de peso del fluido que circula por él. Emplearemos el símbolo de h L, que significa pérdidas de energía del sistema por fricción en las tuberías, o pérdidas menores por válvulas y otros accesorios. La ecuación general de la energía como extensión de la ecuación de Bernoulli resuelve problemas en los que hay pérdida y ganancia de energía. Es esencial que la ecuación general de la energía se escriba en la dirección del flujo: 3
- 4. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA Determinar el factor de pérdida de fricción que ocasionan diversos accesorios que es común encontrar en los sistemas de tuberías. MOTIVACIÓN En la actualidad cualquier fluido se transporta por tuberías durante su producción, proceso, transporte y utilización. Es por esto que los fluidos juegan un papel muy importante en la industria, sin embargo debemos conocer las leyes del flujo de fluidos, también así las ecuaciones para calcular las pérdidas de energía que hay por fricción en tuberías, y también por accesorios. MARCO TEORICO FACTOR POR PÉRDIDA DE FRICCIÓN EN ACCESORIOS El método más sencillo para el cálculo de diversas pérdidas de carga por frotamiento, cuando los fluidos circulan en curvas, accesorios, etc. es considerar cada accesorio o válvula como equivalente a una longitud determinada de tubo recto. Esto permite reducirlas pérdidas en los tubos, las válvulas o accesorios aun denominador común: la longitud equivalente del tubo de igual rugosidad relativa. Para los accesorios se encuentran análogas equivalencias de longitud de tubo, pero para las válvulas contracciones y expansiones se aplican las mismas longitudes equivalentes. La presencia de llaves de paso, ensanchamientos, codos, estrechamientos, tees, etc. Introduce pérdidas de carga suplementarias en toda instalación, por alterar la dirección del flujo o modificar la velocidad lineal de desplazamiento de algunos filetes de vena fluida. Salvo las pérdidas debidas en los ensanchamientos y estrechamientos, las de los codos, tees y llaves son complicadas de evaluar algebraicamente. El Diagrama de Crane es un 4
- 5. nomograma que puede ser útil con tal objeto, se emplea así: supongamos que se quiera saber la pérdida de carga que produce un codo de 45°, de 10 pulg de diámetro interior. Unimos el punto de estos codos (tercer punto de la escala izquierda, empezando por abajo) con la división 10 de la escala derecha. La recta así trazada corta a la escala central en la división 3.5, lo cual significa que la pérdida de carga producida por dicho codo es la misma que la producen 3. 5 m. de la tubería recta de 10 pulg. de diámetro interior. Dicha longitud se llama Longitud Equivalente. Las pérdidas de carga debida a los estrechamientos y a los ensanchamientos se pueden conocer también por Crane o algebraicamente: donde V2 es la velocidad lineal en la sección más estrecha, K est. es una constante que depende de la relación de áreas (A2/A1) y que podría encontrarse en Gráficos de Coeficientes de pérdidas de carga o en Tablas de pérdidas adicionales por fricción en accesorios. Los datos indican que la resistencia K tiende a disminuir al incrementarse el tamaño del aditamento o la válvula. También se pueden obtener valores aproximados de longitudes equivalentes, diámetros multiplicando K por 45 en caso de líquidos similares al agua y por 55 en el caso de gases similares al aire. La mayoría de los valores dados son para aditamentos de rosca Standard y es probable que su precisión tenga un margen del 30%. La diferencia de la pérdida por fricción entre terminales de rosca, con reborde y soldadas son insignificantes. Los fabricantes y usuarios de válvulas, sobre todas las de control, han encontrado que es conveniente expresar la capacidad de la válvula mediante un coeficiente de flujo Cv, este coeficiente se relaciona con K por medio de la expresión: 5
- 6. En donde Cv es el coeficiente de flujo en la válvula en gal/min de agua a 60°F, que pasa por una caída de presión de válvula de 1 lbf/pulg 2 y d es el diámetro interno de la válvula expresada en pulgadas. Hablando de flujo laminares, los datos sobre pérdidas por fricción de accesorios y válvulas son escasos, los datos de Kittredge y Rowley indica que la pérdida adicional por fricción expresada como el número de cargas de velocidad K es constante para Números Reynolds turbulentos. PÉRDIDA DE ENERGÍA POR FRICCIÓN EN ACCESORIOS (CODOS) Las válvulas y accesorios alteran las líneas normales de flujo y dan lugar a fricción. En conductos de corta longitud con muchos accesorios, las pérdidas por fricción causadas a los mismos llegan a ser mayores que las correspondientes a la longitud recta de la tubería. Las pérdidas de energía son proporcionales a la carga de velocidad del fluido conforme pasa por un codo, expansión o contracción de la sección de flujo, o por una válvula. Donde K des el coeficiente de resistencia. El coeficiente de resistencia es adimensional debido a que representa una constante de proporcionalidad entre la pérdida de energía y la carga de velocidad. La magnitud del coeficiente de resistencia depende de la geometría del dispositivo que ocasiona la pérdida, y a veces de la velocidad de flujo. Es común que los elementos que controlan la dirección o el flujo volumétrico del fluido en un sistema generen turbulencia local en éste, lo que ocasiona que la energía se disipe como calor. Siempre que hay una restricción: por ejemplo, un cambio en la velocidad o dirección del flujo, hay pérdidas de ese tipo. En un sistema grande la magnitud con las pérdidas por fricción en las tuberías. Por lo tanto, dichas pérdidas reciben el nombre de pérdidas menores. 6
- 7. PÉRDIDA DE ENERGÍA POR FRICCIÓN EN ACCESORIOS (VALVULAS) La perdida de energía incurrida como flujos de fluido a través de una válvula o juntura se calcula a partir de la siguiente ecuación, según su utilización para las perdidas menores ya analizadas. Sin embargo, el método para determinar el coeficiente de resistencia K es diferente. El valor de K se reporta en la forma: Le K fT D El valor de Le/D, llamado la proporción de longitud equivalente, se considera que es una constante para un tipo dado de válvula o juntura. El valor de Le mismo se denomina la longitud equivalente y es la longitud del conducto recto del mismo diámetro nominal como la válvula que tendría la misma resistencia que esta. El termino D es el diámetro interno real del conducto. El término fT es el factor de fricción en el conducto al cual esta conectada la válvula o juntura, tomado en la zona de turbulencia completa. Los valores de fT varían con el tamaño del conducto y de la válvula, ocasionando que el valor del coeficiente de resistencia K también varié. HIPOTESIS Mediante este experimento confirmaremos como cambiando los flujos de liquido la fricción en los accesorios causa un incremento en la cantidad de perdidas de energía en cada sección lo que se traduce en diferencias de presión con ellos se comprobara la teoría sobre las perdidas de energía. 7
- 8. MODELO MATEMATICO Formula para perdidas de energía en reducción y ensanchamiento. v 21 v 2 2 P hl Experimental 2g Y teórico: v2 hl k Donde k es la el punto de intersección en el eje de la ordenadas con 2g respecto a D2 / D1 Formula para perdidas de energía en accesorios como codos. P hl Y teórica: Le v 2 hl f D 2g 8
- 9. EQUIPO Y MATERIAL Mesa Hidrodinámica El banco de ensayos HM 112 permite realizar ensayos básicos sobre la teoría del flujo. La composición del ensayo está esquematizada sobre un carro de laboratorio. Mediante el equipamiento con un circuito cerrado del agua, el banco de ensayos es particularmente idóneo para la aplicación en locales de formación, cursillos y aulas. El sistema contiene sensores de flujo y de la presión que permiten procesar posteriormente sobre PC los valores medidos. Como objetos de medición sirven diferentes tramos de tubo y elementos integrables de los cuales 5 representan diferentes suplementos de tubo como, p. ej., válvula de membrana o recogelodos. 3 objetos de medición son de plexiglás y representan tubo venturí, tubo Pitot, diafragma, boquilla de medición. La tarjeta de registro de los datos de medición y software que incluye el suministro permite la indicación y evaluación en PC de los datos medidos. 9
- 10. PROCEDIMIENTO 1.- Conectar las mangueras a la mesa hidrodinámica (entrada y salida), asegurándose de que estén bien colocadas, evitando así la salida de flujo. 2.- Encender la mesa hidrodinámica para iniciar con la purgación, asegurándose de que no quede nada de aire dentro de las mangueras, con la finalidad de que no altere la lectura de la diferencia de presión. 3.- Una vez purgadas las mangueras se cierra la válvula, para poder calibrar a cero. 4.- Se abren las válvulas de la mesa hidrodinámica ( p 1 y p2 ) poco a poco al mismo tiempo de la mesa. 5.- Tomar las lecturas necesarias para la realización de los cálculos. 6.- Repetir lo mismo para las siguientes tuberías. 10
- 11. DATOS OBTENIDOS EN LAS MEDICIONES REDUCCIÓN ENSANCHAMIENTO Flujo Presión Flujo Presión Q(L min)-1 p(ml/bar) Q(L min)-1 p(ml/bar) 20.8 47.8 21.9 12.6 18.8 37.5 19.8 9.0 16.4 26.8 17.5 6.0 14.3 19.0 15.3 3.6 12.3 12.8 13.5 1.3 10.3 7.5 11.8 -0.3 8.0 3.0 9.4 -1.7 6.5 0.7 7.1 -2.9 CODO 90⁰ Flujo Presión Q(L min)-1 p(ml/bar) 21.2 22.7 19.4 17.6 17.0 12.3 15.7 9.8 13.1 5.0 11.3 2.7 9.3 0.6 7.3 -1.0 11
- 12. CODO CURVO DIFERENCIAL ∆P Flujo Presión Presión Presión Q(Lmin)- ∆P1 ∆P3 ∆P6 1 21.5 87.8 101.3 128.5 19.2 59.7 70.6 94.0 17.3 35.4 44.5 63.5 DATOS OBTENIDOS EN LA 15.7 18.0 25.1 41.4 PRÁCTICA NÚMERO 6 13.2 -8.4 -3.6 8.4 Valvula de bola 11.0 -27.9 -24.4 -15.8 Q(lts/min) dif. P(mbar) 21.5 19.3 8.9 -43.9 -41.6 -35.6 20.6 51.8 19.5 92.8 6.7 -57.2 -55.5 -57.7 18.4 131.8 17.4 162.7 16.4 196.5 Valvula de diafragma Q(lts/min) dif. P(mbar) 20 48.3 19 78.1 18 109.2 17 137.5 16 160.4 15 185.3 Valvula de asiento inclinado Q(lts/min) dif. P(mbar) 20 16.7 19 39.7 18 59.4 17 78.6 16 94.5 15 105.6 14 119.9 13 132.2 12 144.7 11 170.1 12
- 13. RESULTADOS Reduccion T=19ºC d1=17mm d2=14.5mm D1/D2= 1.1724 Dif. Dif. Q(L/min) P(mbar) Vel.2 m/s Vel. 1 m/s P(KN/m^2) hL(m) 20.8 47.8 0.524854908 0.38182512 4.78 0.007096955 18.8 37.5 0.47438809 0.34511117 3.75 0.005781975 16.4 26.8 0.413827908 0.30105442 2.68 0.004382251 14.3 19 0.360837749 0.26250477 1.9 0.003317794 12.3 12.8 0.310370931 0.22579082 1.28 0.002441826 10.3 7.5 0.259904113 0.18907686 0.75 0.001697252 8 3 0.201867272 0.14685582 0.3 0.001008347 6.5 0.7 0.164017159 0.11932035 0.07 0.000652614 Perdidas de energia en la reduccion 0.0004 0.00035 0.0003 Reynolds 0.00025 0.0002 Series1 0.00015 0.0001 0.00005 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 hL 13
- 14. Ensanchamiento T=20ºC d1=17mm d2=28.6mm D2/D1=1.6823 Dif. Q(L/min) Dif. P Vel.1. m/s Vel.2. m/s P(KN/m^2) hL(m) 21.9 12.6 0.14207863 0.4020178 1.26 0.007337002 19.8 9 0.128454652 0.36346815 0.9 0.005984123 17.5 6 0.113533152 0.3212471 0.6 0.004664114 15.5 3.6 0.100557934 0.28453315 0.36 0.003647666 13.5 1.3 0.087582717 0.24781919 0.13 0.002752478 11.8 -0.3 0.076553782 0.21661233 -0.03 0.002089726 9.4 -1.7 0.060983521 0.17255558 -0.17 0.001310726 7.1 -2.9 0.046062022 0.13033454 -0.29 0.000728103 Perdida de energia en ensanchamiento 0.0004 0.00035 0.0003 Reynolds 0.00025 0.0002 Series1 0.00015 0.0001 0.00005 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 hL 14
- 15. Codo curvo T=20ºC Dif. Q(L/min) Dif. P P(KN/m^2) hL(m) 21.3 29.9 2.99 0.00030479 19.3 23.3 2.33 0.00023751 17.6 18.8 1.88 0.00019164 15.1 11.9 1.19 0.0001213 13.3 7.3 0.73 7.4414E-05 11.8 5 0.5 5.0968E-05 9.6 1.7 0.17 1.7329E-05 7.6 -0.4 -0.04 -4.077E-06 Perdidas de energia en codo curvo 0.0004 0.00035 0.0003 Reynolds 0.00025 0.0002 Series1 0.00015 0.0001 0.00005 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 hL 15
- 16. codo 90º T=20ºC Dif. Q(L/min) Dif. P(mbar) P(KN/m^2) hL(m) 21.2 22.7 227 0.023139653 19.4 17.6 176 0.017940877 17 12.3 123 0.012538226 15.7 9.8 98 0.009989806 13.1 5 50 0.00509684 11.3 2.7 27 0.002752294 9.3 0.6 6 0.000611621 7.3 -1 -10 -0.001019368 Perdidas de energia en codo 90º 0.0004 0.00035 0.0003 Reynolds 0.00025 0.0002 Series1 0.00015 0.0001 0.00005 0 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 hL 16
- 17. codos curvos diferencial T=20ºC dif. P6- Dif.3- Dif. 6- Q(L/min) dif. P3-1. 3 1(KN/m^2)3-1 3(KN/m^2) hL(m)3-1 hL(m)6-3 hltotal 21.5 13.4 27.3 134 273 0.01366 0.027829 0.041488 19.2 10.9 23.4 109 234 0.011111 0.023853 0.034964 17.3 9.1 19 91 190 0.009276 0.019368 0.028644 15.7 7.1 16.3 71 163 0.007238 0.016616 0.023853 13.2 4.8 12 48 120 0.004893 0.012232 0.017125 11 3.5 8.6 35 86 0.003568 0.008767 0.012334 8.9 2.3 6 23 60 0.002345 0.006116 0.008461 6.7 3.7 3.8 37 38 0.003772 0.003874 0.007645 Perdidas de energia en codos curvos 0.0004 0.00035 0.0003 Reynolds 0.00025 0.0002 Series1 0.00015 0.0001 0.00005 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 hL 17
- 18. Valvula de bola T=18ºC Q(lts/min) dif. P(mbar) Vel.m/s Q(m^3/seg) hL 21.5 19.3 7.0718003 0.0035833 846.2878 20.6 51.8 6.7757714 0.0034333 776.9187 19.5 92.8 6.4139584 0.00325 696.1621 18.4 131.8 6.0521453 0.0030667 619.836 17.4 162.7 5.7232244 0.0029 554.2933 16.4 196.5 5.3943034 0.0027333 492.4123 Perdida de energia en valvula de bola 1000 800 Reynolds 600 Series1 400 200 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 hL 18
- 19. Valvula de diafragma Q(lts/min) dif. P(mbar) Vel.m/s Q(m^3/seg) hL 20 48.3 6.5784188 0.0033333 488.2136 19 78.1 6.2494979 0.0031667 440.6128 18 109.2 5.920577 0.003 395.453 17 137.5 5.591656 0.0028333 352.7343 16 160.4 5.2627351 0.0026667 312.4567 15 185.3 4.9338141 0.0025 274.6202 Perdidas de energia en valvula de diafragma 600 500 Reynolds 400 300 Series1 200 100 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 hL 19
- 20. Valvula de asiento inclinado Q(lts/min) dif. P(mbar) Vel. m/s Q(m^3/seg) hL 20 16.7 6.5784188 0.0033333 488.2136 19 39.7 6.2494979 0.0031667 440.6128 18 59.4 5.920577 0.003 395.453 17 78.6 5.591656 0.0028333 352.7343 16 94.5 5.2627351 0.0026667 312.4567 15 105.6 4.9338141 0.0025 274.6202 14 119.9 4.6048932 0.0023333 239.2247 13 132.2 4.2759722 0.0021667 206.2703 12 144.7 3.9470513 0.002 175.7569 11 170.1 3.6181304 0.0018333 147.6846 Perdidas de enregia por valvula de asiento inclinado 600 500 Reynolds 400 300 Series1 200 100 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 hL 20
- 21. CONCLUSIONES Concluimos que gracias a la toma experimental de datos y comparándolos con los teóricos los valores resultan ser similares por lo que la practica fue didáctica y nos mostró con claridad el comportamiento de los fluidos y la perdida de las energías dadas por los accesorios REFERENCIAS Robert L. Mott, Mecánica de fluidos, Editorial Pearson, 6ta. Edición. R. Byron Bird, Fenómenos de Transporte, Editorial Reverté, S.A. Mecánica de Fluidos, Potter Merle C y Wiggert David C, Editorial Thompson, 3ra. Edición. www.google.com 21