Práctica 4: Pérdidas por fricción en accesorios

INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA 4: PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN ACCESORIOS

ALICIA JULIANA GIRALDO FEO

alicia.giraldo@estudiantes.uamerica.edu.co

DOCENTE: Carlos A. Mendoza Neira

Universidad de América Campus de los Cerros.

1. 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 obtenidos experimentalmente.
• Calcular la longitud equivalente de cada uno de los codos, tés, etc. Y comparar los datos con los calculados por fórmulas.

2. MARCO TEÓRICO:

Las pérdidas de energía por 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.


3. EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y/O 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.
• 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 encuentra los switch de prendido y apagado.
• Dos cronómetros.
• Dos beakers plásticos de 1000 mL.
• Dos probetas de 2000 cm³.

4. MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS:

1. Revise si el nivel del agua en el depósito es el indicado para su correcta operación y verifique la instalación eléctrica.
2. Determine los diferentes acoples para la instalación de las tomas de presión.
3. Anote 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.
13. Al terminar la práctica, cierre lentamente la válvula que controla el flujo y suspenda el circuito eléctrico.

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Para válvulas:

Para tubo Venturi, Pitot y placa orificio:

Para tubos:

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS: 

Los resultados obtenidos experimentalmente respecto a las pérdidas por fricción en accesorios, no pueden ser comparados con los obtenidos teóricamente por medio de fórmulas, ya que en su gran mayoría, por no decir todos, el porcentaje de error que éstos presentan es del 100%.

Fotos del laboratorio:

Figuras 1 y 2. Tablero de control para la apertura de los accesorios. 

Figura 3. Tuberías. 

Figura 4. Accesorios: Codos y Tee.

 Figura 5. Accesorios: Válvula de retención y válvula de globo.

Figura 6. Accesorios: Válvula de bola.

Figura 7. Información de los accesorios del banco.

Figura 8. Tubo Venturi, tubo Pitot y placa orificio.

7. CONCLUSIONES:

• Por medio del caudal, la velocidad y el diámetro de tubería se pudo determinar experimentalmente el valor de las pérdidas por fricción para cada uno de los accesorios del banco.
• Al comparar las pérdidas experimentales con las teóricas, se encuentra un error que ronda el 100% por lo que se concluir medición equívoca de los datos necesarios para hallar dichas pérdidas.

Práctica 3: Pérdidas por fricción en tuberías

INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA 3: PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN TUBERÍAS CON RÉGIMEN LAMINAR Y TURBULENTO

ALICIA JULIANA GIRALDO FEO

alicia.giraldo@estudiantes.uamerica.edu.co

DOCENTE: Carlos A. Mendoza Neira

Universidad de América Campus de los Cerros.

1. OBJETIVOS:

• Determinar las pérdidas primarias con flujo laminar.
• Determinar el Factor de Fricción experimental del tubo.
• Comparar el factor de fricción experimental con el teórico.
• Determinar las pérdidas primarias con flujo Turbulento.
• Determinar el Factor de Fricción experimental del tubo.
• Comparar el factor de fricción experimental con el teórico.

      2. MARCO TEÓRICO:

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), donde:

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

3. EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y/O 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.
• Cronómetro.
• Módulo Gunt HM 150.01

          4. MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS:

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.

 5.       CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Datos para régimen laminar:

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.

Tabla 1. Datos para el régimen laminar.

	h1 (m)	h2 (m)	V (m3)	t (s)
1	0,18	0,023	0,0006	137,14
2	0,18	0,02	0,0006	131,90
3	0,18	0,018	0,0006	134,09

Cálculo del caudal:

Cálculo de la velocidad:

Cálculo del número de Reynolds:

Cálculo de las pérdidas primarias experimentales en la tubería:

Cálculo del factor de fricción experimental:

Cálculo del factor de fricción teórico:

Cálculo de las pérdidas primarias teóricas en la tubería (Darcy):

Porcentaje de error para las pérdidas primarias de la tubería:

Porcentaje de error para el factor de fricción experimental:

Datos para régimen turbulento:

Temperatura del agua, 17°C.

Densidad, ρ = 999 kg / m³

Peso específico, γ = 9800 N / m³.

Viscosidad cinemática, ʋ = 1,08*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 * 10-6 m².

Longitud de la tubería, L = 0,4 m.

Rugosidad absoluta, ε = 0,0015 mm = 1,5*10^-6 m

Rugosidad relativa, Φ/ε = 2000, ε / Φ= 0,0005

Tabla 2. Datos para el régimen turbulento.

	∆P (Bar)	V (m3)	t (s)
1	0,2	0,0006	24,24
2	0,2	0,0006	25,32
3	0,2	0,0006	24,69

Cálculo del caudal:

Cálculo de la velocidad:

Cálculo del número de Reynolds:

Cálculo de las pérdidas primarias experimentales en la tubería:

Cálculo del factor de fricción experimental:

Cálculo del factor de fricción teórico:

Cálculo de las pérdidas primarias teóricas en la tubería (Hägen-Poseuille):

Porcentaje de error para las pérdidas primarias de la tubería:

Porcentaje de error para el factor de fricción experimental:

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Las pérdidas por fricción en tuberías en régimen laminar fueron alrededor de 0,16 m, mientras que las pérdidas por fricción régimen turbulento fueron cercanas a 2,5 m, siendo mayores debido a que la velocidad aumenta significativamente. El factor de error obtenido en régimen turbulento fue menor al régimen laminar.

Fotos del laboratorio:

Figura 1. Gráfica de la tendencia según el flujo. 

Figura 2. Módulo. 

 Figura 3. Presión.

Figura 4. Régimen laminar. 

Figura 5. Régimen Turbulento.

7. CONCLUSIONES:

• Las pérdidas primarias en flujo laminar son menores que en flujo turbulento debido a las altas velocidades del fluidos.
• El factor de fricción en el flujo laminar es bastante similar al flujo turbulento.
• El porcentaje de error para las pérdidas y el factor de fricción en flujo turbulento es significativamente más bajo que en el flujo laminar.

Práctica 2: Número de Reynolds

INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA 2: NÚMERO DE REYNOLDS

ALICIA JULIANA GIRALDO FEO

alicia.giraldo@estudiantes.uamerica.edu.co

DOCENTE: Carlos A. Mendoza Neira

Universidad de América Campus de los Cerros.

1. OBJETIVOS:

• Calcular el Número de Reynolds para un sistema de flujo y observar el cambio de régimen con ayuda de una tinta disuelta en el agua.
• Demostrar el experimento de Osborn Reynolds.
• Determinar los Números de Reynolds para flujos laminares y turbulentos.

2. MARCO TEÓRICO:

El número de Reynolds (NRE) es un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un modelo laminar o turbulento, que relaciona las propiedades más importantes de flujo y permite determinar si el régimen del mismo, es laminar, turbulento o de transición.

En resumen, es la relación entre fuerzas viscosas y fuerzas gravitacionales. Si el Reynolds es  bajo, indica que prevalecen las fuerzas viscosas y el régimen de flujo es laminar (la transmisión de la cantidad de movimiento en el fluido se da entre capas laminares). Por el contrario, si el Reynolds es alto, no influyen tanto las fuerzas viscosas y el régimen es turbulento (el movimiento no se da por capas, sino desordenadamente, por remolinos y cambia el perfil de velocidad del fluido).Visualmente, si se agrega una tinta al fluido, se verá como una línea en régimen laminar; en cambio, para el régimen turbulento se disolverá coloreando todo el fluido.

El número de Reynolds depende de la velocidad del fluido, del diámetro de tubería, o diámetro  equivalente y de la viscosidad cinemática o en su defecto densidad y viscosidad dinámica.

En una tubería circular se considera:

Re < 2300 El flujo sigue un comportamiento laminar.

2300 < Re < 4000 Zona de transición de laminar a turbulento.

Re > 4000 El fluido es turbulento.

3. EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y/O MATERIALES:

Módulo Básico Gunt HM 150.

4. MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS:

1. Instalar el Módulo HM 150.18 sobre Módulo Básico HM 150, conectando la manguera de salida de la bomba en la tubería de empalme N° 12, y la manguera de salida del módulo a un desagüe, de tal manera que no se tiña el agua del depósito de la bomba.
2. Cerrar la válvula de salida de la bomba, la válvula N° 11 y la válvula N° 1, de salida del módulo.
3. Manteniendo cerrada la válvula N° 7, llenar con tinta el depósito N° 8.
4. Poner en funcionamiento la bomba, abriendo lentamente la válvula de salida de la misma.
5. Abrir un poco la válvula N° 11, con lo cual el agua sube por el tubo rebosadero N° 10 hasta el depósito de reserva N° 9, llenando enseguida el tubo N° 3.
6. Abrir un poco la válvula de salida N° 1, regulando un flujo tal que se mantenga un nivel  constante en el depósito N° 9, manipulando también la válvula N° 11. No debe permitirse que se llene completamente el depósito, ni que se suspenda el flujo hacia la pieza de salida N° 5.
7. Medir con la jarra aforada el mayor volumen de agua que pueda medirse con precisión, tomando el tiempo con el cronómetro suministrado, con el fin de determinar el caudal empleado.  Anotar en la planilla los datos de volumen y tiempo.
8. Abrir ligeramente la válvula N° 7, del depósito de tinta, de tal manera que se observe la entrada de la tinta a la corriente de agua en el tubo N° 3.
9. Si el flujo es laminar, se observará una línea de tinta recta, que no se mezcla con el agua. Cerrar inmediatamente la válvula N° 7, del depósito de tinta. Anotar en la planilla cómo se observa el régimen.
10. Regular nuevamente un caudal un poco mayor, repitiendo los Pasos 5, 6 y 7.
11. Deben hacerse varios ensayos cambiando el caudal, de tal manera que se vaya incrementando el Número de Reynolds, observando cuándo se consigue la transición de régimen laminar a régimen turbulento.
12. Terminado el experimento debe hacerse limpieza al depósito de tinta.

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Tabla 1. Datos para el cálculo del caudal.

	Volumen (m3)	Tiempo (s)	Caudal (m3/s)
Régimen turbulento	0,001	29,10	3,4364*10-5
Régimen de transición	0,001	104,32	9,5859*10-6
Régimen laminar	0,0004	105,60	3,7879*10-6

NOTA: Los regímenes anteriores fueron determinados visualmente por lo que su exactitud puede variar.

Área:

Cálculo de velocidades:

Cálculo del número de Reynolds:

Según lo anterior, el régimen estimado visualmente como turbulento, es, efectivamente, turbulento ya que el número de Reynolds es mayor a 4000, mientras que los determinados de transición y laminar son ambos laminares, ya que ambos números de Reynolds son menores a 2300.

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS:

En el laboratorio se determinó visualmente el régimen de flujo, por los números de Reynolds obtenidos a partir de las velocidades, se puede decir que fue bastante acertada la determinación, ya que se obtuvo 1 régimen turbulento y 2 laminares.

Fotos del laboratorio:

 Figura 1. Módulo sin tinta.

 Figura 2. Régimen turbulento.

 Figura 3. Régimen de transición.

 Figura 4. Régimen laminar.

 Figura 5. Régimen laminar.

Figura 6. Régimen turbulento. 

Figura 7. Régimen de transición. 

7. CONCLUSIONES:

• Gracias al azul de metileno disuelto en agua, se pudo determinar visualmente el régimen por el que pasaba el fluido, ya que si la tinta iba como un hilo a lo largo del tubo era régimen laminar, si iba un poco más desordenado por partes, pero todavía en forma de hilo, era régimen de transición y si la tinta se veía turbia e inquieta, era régimen turbulento.
• En el laboratorio se obtuvo régimen turbulento con número de Reynolds de 6274,8993 y régimen laminar con Reynolds 691,8792, pero no se obtuvo régimen de transición, ya que el que se esperaba fuera de transición tuvo un Reynolds de 1750,2013.