PRÁCTICA No. 4 PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN ACCESORIOS
DESCRIPCIÓN DEL TEMA:
Las pérdidas de energía en accesorios se dan por cambios de dirección y velocidad del fluido en válvulas, Tés, codos, etc. Se propusieron diversas fórmulas para el cálculo de diversas pérdidas de carga por frotamiento, cuando los fluidos circulan en curvas, accesorios, etc., pero el método más sencillo es considerar cada accesorio como equivalente a una longitud determinada de tubo recto. Esto permite reducir las pérdidas en los tubos, válvulas o accesorios en general a un denominador común: la longitud equivalente del tubo de igual rugosidad relativa.
Las válvulas y accesorios se encargan de controlar la dirección o el flujo volumétrico del fluido generando turbulencia local en el mismo, 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 de las válvulas y accesorios. Las pérdidas teóricas en accesorios se hallan con la siguiente ecuación:
Para cada uno de los accesorios encontraremos que los valores de K cambian. En la siguiente tabla se encuentran los valores de L/D que se usaron para el accesorio correspondiente:
La relación L/D se necesitará para hallar el coeficiente de resistencia K mediante la siguiente ecuación:
El factor de fricción f se determina mediante la siguiente tabla, teniendo en cuenta el tamaño nominal del tubo:
OBJETIVOS:
- 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.
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO:
En la práctica llevada a cabo para la determinación de las pérdidas por fricción en accesorios, se empleó un banco de fluidos con las siguientes características:
- En la parte superior del banco hay instaladas 5 líneas de tuberías, tres metálicas y dos plásticas.
- A continuación 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 encuentran los switch de prendido y apagado del sistema..
Medidor de caudal de cono
Tubos: Venturi y Pitot
Tanque de descarga de agua, cubeta para medición del caudal de trabajo
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA:
La práctica realizada consistió en determinar las pérdidas en diferentes accesorios (los elegidos fueron: válvula de compuerta, válvula de globo y codo de 90°) y en diferentes tipos de tuberías (las cuales fueron: Tubería galvanizada de ¾“, Tubería galvanizada de ½” y Tubería de cobre de ¾”).
Accesorios escogidos en la práctica
El fluido (agua) se hacía circular por el sistema activando una bomba que impulsaba el flujo, y considerando el tramo de tubería a utilizar, es decir aquella donde están ubicados los accesorios a usar, se cerraba una a una las válvulas de los tramos que no eran de interés.
Se tomó para cada sector del accesorio los valores de presiones de entrada y salida con los dos manómetros disponibles (manómetros de mercurio y manómetro digital), con estos cambios de presiones se pudo determinar las pérdidas por fricción para cada sección.
Se midió también, el caudal de trabajo, tomando el tiempo que se tarda para llenar un volumen determinado de líquido en la jarra suministrada. Con el valor del caudal se calculó la velocidad, el número de Reynolds, el factor de fricción teórico y las pérdidas teóricas en accesorios y tuberías.
Juego de válvulas para controlar el flujo de agua en cada accesorio y tubería
Manómetros de columna de mercurio y manómetro digital
Videos explicativos de la práctica realizada
DATOS Y CÁLCULOS OBTENIDOS:
-
Pérdidas en accesorios:
Tablas de constantes:
-
Pérdidas en tuberías:
Tablas de constantes:
Dimensiones de tuberías galvanizadas:
(La cédula 40 se usa más en tuberías de agua y la cédula 80 se utiliza en tuberías de alta presión, como lo son las de gas y vapor)
Dimensiones de tuberías de cobre:
Valores de rugosidad para diversos materiales (Fuente: Mott, Mecánica de Fluidos)
ANÁLISIS DE DATOS:
Las pérdidas secundarias o menores también conocidas como pérdidas locales, son aquellas que están originadas por los accesorios que están presentes en el diseño de las tuberías, entre estos se encuentran: válvulas, reducciones, ensanchamientos, uniones, codos, entre otros.
Estas pérdidas se presentan porque existen variaciones en la velocidad que son causadas por la fricción, cambios bruscos en la sección o por la dirección del fluido. Además, dependen de las características del fluido (densidad, viscosidad, velocidad, número de Reynolds) y también de la tubería (rugosidad, diámetro interno).
De acuerdo a las presiones obtenidas para el flujo en accesorios, se puede evidenciar una variación entre los valores arrojados por el manómetro digital y los valores leídos en los manómetros de mercurio, esta diferencia se puede deber a una mala calibración del manómetro digital, ya que durante la práctica este no funcionó de manera adecuada. También se pudieron haber presentado errores en la lectura de las presiones en el manómetro de mercurio.
El error en la toma de presiones y la diferencia entre los valores de las mismas, dieron como resultado pérdidas experimentales diferentes entre sí para cada accesorio. En cuanto a las pérdidas teóricas calculadas, se tuvo en cuenta los valores del factor de fricción y la longitud equivalente para cada accesorio, teniendo en cuenta que el factor de fricción sólo depende del tamaño de conducto nominal, siendo este de ½’’ para todos los accesorios, mientras que la longitud equivalente es única para cada accesorio.
Se calcularon los valores de k teóricas y experimentales, y al comparar estos valores, se puede observar que difieren mucho entre sí para cada accesorio, esto se debe a que la k experimental depende de las pérdidas experimentales, y estas, como se dijo anteriormente, están dadas a muchos errores cometidos en la práctica, como el de haber dejado las válvulas incorrectas abiertas, o haber dejado las válvulas de los accesorios correspondientes semi-abiertas.
Comparando los valores obtenidos de pérdidas experimentales y pérdidas teóricas, se observa que para las dos válvulas, de compuerta y de globo, los resultados experimentales y teóricos varían entre sí para cada una. Esto se puede deber a que para que las válvulas tengan un funcionamiento óptimo, deben estar completamente abiertas, o completamente cerradas, y en la práctica estas pudieron haber estado semi-abiertas, afectando los valores arrojados de presión.
Para el codo de 90°, los valores de pérdidas experimentales y pérdidas teóricas, dieron muy similares entre sí, por lo que no se estiman errores en su cálculo.
Gracias a los resultados de esta práctica, se pudo determinar las perdidas por fricción en accesorios tipo codos y válvulas, dando como resultado que la que registro una mayor pérdida primaria fue la válvula de globo completamente abierta, esto debido a que la longitud equivalente es bastante mayor respecto a los otros accesorios.
Analizando los resultados de presión obtenidos para cada tubería escogida, se puede observar que estas presiones varían mucho más que para los accesorios. Esto se evidencia en las presiones negativas obtenidas por el manómetro digital, el cual, como se dijo anteriormente, pudo haber estado mal calibrado. Además, debido a estas variaciones en las presiones, se obtuvieron diferenciales de presión muy distintos entre sí para cada tubería, lo que afectó los cálculos de pérdidas experimentales y del factor de fricción experimental, principalmente para la tubería galvanizada de ¾’’, la cual presenta la mayor variación entre sus dos pérdidas experimentales y sus dos factores de fricción experimentales.
Para el cálculo de las pérdidas teóricas en las tuberías, se tuvo en cuenta los valores del número de Reynolds para cada una, teniendo como resultado un régimen turbulento para todas las tuberías. Con los resultados del número de Reynolds se pudo calcular el factor de fricción teórico para cada material, y con estos resultados, se calcularon las pérdidas teóricas en cada tubería. Según los resultados, la tubería que mayores pérdidas presenta es la galvanizada de 1/2’’, cuyo valor es el que más se aleja de los resultados obtenidos experimentalmente.
Realizando una comparación entre los resultados de pérdidas experimentales con las pérdidas teóricas de todas las tuberías, se puede analizar que estos valores difieren mucho entre sí, obteniendo pérdidas teóricas mucho mayores a las pérdidas experimentales. Esto lleva a la conclusión de que se presentaron muchos errores en la medición de presiones de las tres tuberías, uno de ellos pudo ser que no se abrieron las válvulas correctas, o se dejaron abiertas válvulas de más, que interfirieron en la obtención de valores correctos.
CONCLUSIONES:
-
Se pudo determinar los valores de presión para cada accesorio escogido (Válvula de compuerta, válvula de globo y codo de 90°) y para cada tubería (Hierro de ¾’’, cobre de ¾’’ y hierro de ½’’) por medio de los manómetros de mercurio y del manómetro digital.
-
Se logró calcular los valores de pérdidas experimentales y teóricas para cada accesorio y tubería escogidos, obteniendo grandes diferencias entre las mismas, debido a errores cometidos en la práctica.
-
Se pudo verificar que los accesorios instalados introducen perdidas de carga suplementarias, ya que se altera la dirección del fluido y se modifica la velocidad de este.
-
Se logró calcular los valores de k experimentales y teóricas, y se verificó que la práctica estuvo dad a errores de manejo, ya que los valores experimentales difieren mucho de los teóricos.
-
Se reconoció la importancia del cálculo del coeficiente de fricción puesto que expresa una relación directa entre la pérdida de energía mecánica y la energía cinética del fluido.
-
Se pudo confirmar que en la mayor parte de los sistemas de flujo, la perdida de energía primaria se debe a la fricción de conducto.
REFERENCIAS:
* MOTT, R. (2006). MECANICA DE FLUIDOS. MEXICO: PEARSON EDUCATION.
* FRANCINI. (2000). Mecánica de Fluidos con aplicaciones en Ingeniería. MADRID: MC GRAW HILL.
* Mecánica de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías. [Internet]. Bogotá, Colombia. 2008. [05 de octubre de 2008].
* Disponible en: http://es.scribd.com/doc/2927560/mecanica-de-fluidos [4] CELERINO QUEZADA.
* Pérdidas de carga en tuberías que transportan sustancias fluidas. Solide Share [en línea] http://es.slideshare.net/karinagimenezabreu/presentacion-perdida-de-cargas-de-tuberias [Citado en 3 de Noviembre octubre de 2016].