Perdidas por fricción en tuberia

PERDIDAS POR FRICCIÓN EN TUBERÍAS 

INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA 3. PERDIDA POR FRICCIÓN  EN TUBERÍAS

CAMILA ANDREA CASTILLO CASAS 

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA 

1. DESCRIPCIÓN DEL LABORATORIO

RESUMEN

Los sistemas de flujo de un fluido presentan perdidas por fricción conforme el fluido pasa por los diferentes tubos y ductos, existen perdidas por cambios en el tamaño de la trayectoria del flujo. la finalidad de este laboratorio es calcular las perdidas por fricción de un fluido en un sistema con tuberías. 

OBJETIVOS 

• Determinar las perdidas primarias en tuberías a diferentes regímenes de flujo.
• Determinar el coeficiente de fricción dependiendo del régimen de flujo.
• Determinar experimental y teóricamente el coeficiente de fricción y comparar los resultados de estos

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 liquido y la pared de la tubería; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo.

Esta pérdida de energía suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante dado en dimensiones de longitud, denominada perdida de carga. La perdida de carga está relacionada con otras variables según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento.

En el caso de un régimen laminar los esfuerzos cortantes se pueden calcular en función de la distribución de velocidad en cada sección y las pérdidas de carga se pueden obtener mediante la ecuación de Darcy-Weisbach en donde el coeficiente de fricción depende únicamente del numero de Reynolds.

Mientras que para regímenes laminares se hace una aproximación cuadrática de la ecuación de Darcy-Weisbach para comprobar la dependencia de los esfuerzos cortantes y la velocidad

Donde el coeficiente de fricción en este caso es función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de la tubería, esta última representa la altura promedio de las irregularidades de la superficie interior de la tubería. El coeficiente de fricción en un régimen turbulento viene dado por la siguiente expresión:

Otra manera de determinar el coeficiente de fricción es mediante la utilización del diagrama de Moody el cual es la representación gráfica en escala doblemente logarítmica del factor de fricción en función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de una tubería, propuesto por Lewis Ferry Moody.

EQUIPOS INSTRUMENTOS Y MATERIALES  

• Modulo Basico Gunt HM 150. Con bomba centrífuga sumergible de 250W de potencia y caudal máximo de 150
• Modulo Gunt HM 150.01
• Jarra de aforo
• Cronómetro

2. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA 

MÉTODOS Y PROCEDIMIENTO

PARTE A

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.
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 2cm 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 jarra aforada suministrada, midiendo el tiempo empleado en la recolección. 
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.

PARTE B

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.
2. Cerrar las válvulas N°10 y 11, del depósito vertical. Abrir la válvula N°7, del by pass para flujo turbulento y la válvula de salida N°2.
3. Conectar las mangueras para medición de presión, desde la toma N°12 hasta la entrada de alta presión del manómetro diferencial N°5, y desde la toma N°3 hasta la entrada de baja presión del manómetro diferencial.
4. Poner en servicio la bomba, regulando el caudal con la válvula de salida de la bomba, de tal forma que se establezca una diferencia de presión aproximada de 0,2 Bar. Ajustar con más precisión utilizando la válvula N°2.
5. Medir el caudal tomando un volumen aproximado de 2 litros, en la jarra aforada, y contabilizando el tiempo requerido.
6. Repetir el procedimiento tomando unas tres mediciones, aumentando el caudal con la válvula N°2

DATOS

Tabla 1. Tabla de datos 

PARTE A

Tabla 2. Datos Parte A

PARTE B 

Tabla 3. Datos Parte B

CÁLCULOS Y RESULTADOS 

Para Realizar los cálculos se tiene en cuenta que:

PARTE A

Tabla 4. Resultados Parte A

PARTE B

Tabla 5. Resultados Parte B

ANÁLISIS DE RESULTADOS 

En el caso de las perdidas en tubería con flujo laminar, como se observa en la tabla 4 dos de los experimentos realizados muestran un flujo laminar por lo que el flujo que dio transitorio ocurrió por error humano al momento de abrir las válvulas o bien al momento de tomar los datos del caudal. Se evidencia  a demás que las perdidas por carga son proporcionales al número de Reynolds ya que a medida que aumenta el número de  Reynolds aumenta la velocidad, y por ende aumentan las perdidas por fricción en la tubería. 

Las perdidas por fricción en flujo laminar son menores a aquellas que se obtienen en flujo turbulento esto se debe a que a que las partículas del fluido en flujo turbulento van a mayor velocidad y por ende presentan mayor presión de manera que golpean con mayor facilidad sobre la pared de la tubería. 

En el caso de las perdidas en tubería por flujo turbulento, se puede evidenciar que el factor de fricción es menor que en el caso del flujo laminar lo que indica que existirá mayor perdida en este que en flujo laminar. Según la tabla 5 se observa a demás que aumenta la caída de presión aumentan las perdidas en la tubería. Al calcular el factor de fricción teórico a través del diagramad de Moody, este valor no es muy preciso, ya que puede variar dependiendo de quien haga el calculo, puesto que la lectura de este diagrama no es exacta.

Comparando los resultados de los procedimientos realizados con flujo laminar con los realizados con flujo turbulento, se puede observar que la perdidas por fricción son siempre mayores cuando el flujo es turbulento, por lo tanto a mayor caudal, mayores serán las perdidas en la tubería por fricción.

En los procedimientos realizados con flujo laminar y flujo turbulento, los datos que brinda el equipo utilizado (HM 150.01) son muy cercanos a los valores obtenidos teóricamente, lo que indica que el rango de error al utilizar este equipo es bajo y va a permitir realizar procedimientos con resultados verídicos.

CONCLUSIONES 

• En todas las tuberías independientemente del flujo, siempre se generara una perdida de energía por fricción; en el caso de que el sistema cuente con un flujo laminar estas perdidas serán menores que si se tuviera un flujo turbulento.
• El valor de las perdidas de energía por fricción en una tubería, esta directamente relacionado con el tipo de flujo que tiene el sistema, por ende también depende del caudal con el que se este trabajando ya que en un flujo laminar las perdidas son menores que en el flujo turbulento.
• El modulo HM 150.01 es un equipo que permite el análisis de las perdidas por fricción en la tubería, de forma sencilla y clara, lo que permite visualizar lo que posiblemente este sucediendo en un sistema de tuberías con un caudal predeterminado.

REFERENCIAS

1. Hidráulica. Perdidas de energía [en línea] <http://fluidos.eia.edu.co/ hidraulica/articuloses/flujoentuberias/fricci%C3%B3n/fricci%C3%B3n.htm>consultado, octubre 2016
2. Universidad de Oviedo. Perdidas de carga en tuberías [en línea] <http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanica-general/Manuales/Perdidasdecarga.pdf> consultado, octubre 2016