Demostración experimental de número de Reynolds., Proyectos de Mecánica de Fluidos. Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL)
Santi_Gzz
Santi_Gzz

Demostración experimental de número de Reynolds., Proyectos de Mecánica de Fluidos. Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL)

PDF (366 KB)
9 páginas
7Número de descargas
273Número de visitas
100%de 3 votosNúmero de votos
1Número de comentarios
Descripción
Reporte de práctica final de cómo calcular el número de Reynolds mediante medición de flujos
20 Puntos
Puntos necesarios para descargar
este documento
Descarga el documento
Vista previa3 páginas / 9
Esta solo es una vista previa
3 páginas mostradas de 9 páginas totales
Descarga el documento
Esta solo es una vista previa
3 páginas mostradas de 9 páginas totales
Descarga el documento
Esta solo es una vista previa
3 páginas mostradas de 9 páginas totales
Descarga el documento
Esta solo es una vista previa
3 páginas mostradas de 9 páginas totales
Descarga el documento
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEÓN

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

INGENIERIA QUÍMICA

Producto Integrador de Aprendizaje

Demostración experimental del número de

Reynolds

Laboratorio de Operaciones Unitarias

Dra. Mónica María Alcalá Rodríguez

Grupo: 201 Equipo #1 Ricardo Fernando Pérez Pallares Matricula 1590970 Santiago González Ramos Matricula 1593730 Leslie Leticia Angulo Alanís Matricula 1543031

Ciudad Universitaria a 13 de Julio de 2017

Objetivo

Observar experimentalmente el tipo de flujo (laminar, de transición y turbulento) de

diferentes caudales y demostrar experimentalmente el numero de Reynolds.

Fundamento

Cuando un líquido fluye en un tubo y su velocidad es baja, fluye en líneas

paralelas a lo largo del eje del tubo; a este régimen se le conoce como flujo

laminar". Conforme aumenta la velocidad y se alcanza la llamada velocidad

critica", el flujo se dispersa hasta que adquiere un movimiento de torbellino en el

que se forman corrientes cruzadas y remolinos; a este régimen se le conoce como

flujo turbulento". El paso de régimen laminar a turbulento no es inmediato, sino

que existe un comportamiento intermedio indefinido que se conoce como “régimen

de transición".

Si se inyecta una corriente muy fina de algún líquido colorido en una tubería

transparente que contiene otro liquido incoloro, se pueden observar los diversos

comportamientos del líquido conforme varía la velocidad. Cuando el fluido se

encuentra dentro del régimen laminar (velocidades bajas), el colorante aparece

como una línea perfectamente definida, cuando se encuentra dentro de la zona de

transición (velocidades medias), el colorante se va dispersando a lo largo de la

tubería y cuando se encuentra en el régimen turbulento (velocidades altas) el

colorante se difunde a través de toda la corriente.

Los diferentes regímenes de flujo y la asignación de valores numéricos de cada

uno fueron reportados por primera vez por Osborne Reynolds en 1883. Reynolds

observo que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluye dentro de una

tubería depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas

propiedades físicas del fluido.

Así, el número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las

propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que

fluye y está dado por:

Re D  

  

Donde:

Re → Número de Reynolds

D → Diámetro de la tubería (m)

 → Velocidad promedio del fluido (m/s)

 → Densidad del fluido (kg/m 3)

 → Viscosidad cinemática del fluido (kg/m ∙ s)

Bajo condiciones ordinarias, el flujo en una tubería o tubo es turbulento a números de Reynolds superiores a aproximadamente 4000. En una tubería, el flujo es siempre laminar a números de Reynolds inferiores a 2100. Entre 2100 y 4000 existe una región de transición, donde el tipo de flujo puede ser tanto laminar como turbulento, dependiendo de las condiciones a la entrada del tubo y de la distancia a dicha entrada.

Nomenclatura

Re → Número de Reynolds (adimensional)

D → Diámetro de la tubería (m)

 → Velocidad del fluido (m/s)

 → Densidad del fluido (kg/m3)

 → Viscosidad cinemática del fluido (kg/m∙s)

Q → Caudal de agua (m3/s)

V → Volumen de agua (mL)

t → Tiempo (s)

tA → Área transversal de la tubería (m 2)

r → Radio de la tubería (m)

T → Temperatura (°C)

P → Presión (atm)

Procedimiento

Equipo y material a utilizar

Reactivos

 Agua

Equipo

 F1-20 Reynolds’ Apparatus.

 Baño hidráulico

Conectar la manguera de entrada del Reynolds Apparatus hacia el baño hidráulico.

Colocar la manguera de purga en el porrón de plástico.

Colocar la manguera de emergencia en otro porrón en caso de haber desbordamiento de agua.

Preparar una solución concentrada de colorante vegetal en agua y colocarla en el depósito de colorante.

Encender el baño hidráulico y manipular la válvula de salida para adecuar el flujo de agua según el régimen deseado.

Esperar a que el agua alcance la entrada de la boca de la campana.

Abrir la válvula de control del flujo de colorante y esperar que caiga el colorante sobre la corriente de agua.

Observar el comportamiento del colorante durante el contacto con el flujo de agua.

Determinar el régimen del flujo según el comportamiento observado.

Apagar el baño hidráulico, desconectar la manguera de entrada del Reynolds Apparatus y medir el caudal utilizado.

Concectar de nuevo la manguera de entrada al Reynolds Apparatus y repetir el experimento para el siguiente régimen de flujo.

Una vez finalizado el experimento, apagar el baño hidráulico, esperar a que se purgue el Reynolds Apparatus, retirar las mangueras y limpiar el material utilizado.

Material

 Colorante vegetal

 Probeta de 1000 mL

 Agitador de vidrio

 Recipiente de vidrio

 Termómetro de mm Hg

 Cronómetro

 Manguera de plástico

Figura 1. Diagrama esquemático de Reynolds’ Apparatus.

Ecuaciones

Re D  

   (1)

V

Q t

(2)

t

Q

A   (3)

2tA r  (4)

Observaciones

Durante la realización de la práctica se requirió de mangueras para poder

transportar el agua desde el sistema de bombeo hacia el equipo. Dicho sistema

proporcionó válvulas de regulación de agua para el experimento, aunque estas

permanecían muy débiles para provocar mínimas diferencia en el flujo de agua.

Durante la agregación del colorante se pudo observar el distinto comportamiento

de este cuando entró en contacto con el agua según variaba la velocidad de flujo.

Para la purga de agua utilizada se utilizó un porrón de plástico para evitar

derrames en el área de trabajo.

Resultados

Tabla 1. Comportamiento del colorante durante el contacto con el flujo de agua.

Régimen del fluido Comportamiento del colorante

Laminar Línea perfectamente definida Transición Disperso a lo largo de la tubería Turbulento Completamente difundido en la corriente.

Tabla 2. Resultados experimentales.

Corrida V (mL) t (s) Q (mL/s) Qp (mL/s)

53.0000 5.1200 10.3516 1 51.0000 5.0500 10.0990 10.4329 55.0000 5.0700 10.8481 144.0000 6.2800 22.9299

2 141.0000 6.2200 22.6688 22.7282 138.0000 6.1100 22.5859 382.0000 8.1900 46.6422

3 375.0000 8.0900 46.3535 46.1941 377.0000 8.2700 45.5865

Tabla 3. Condiciones de operación.

T (°C) P (atm)

Agua saturada 28.0 1.0 Ambiente 29.4 1.0

Memoria de cálculo

Para la realización de este experimento se fijó un tiempo específico para cada

corrida donde se manipuló la válvula de flujo a una velocidad desconocida y así

obtener caudales mediante la ecuación (2), del cual se promedió en base al

número de corridas, esto se puede apreciar en la tabla 2. Este procedimiento se

realizó tratando de aproximar los flujos en las zonas laminar, de transición y

turbulenta.

Para comprobar nuestro criterio en base a la observación del colorante en la

corriente de agua se procedió a calcular el número de Reynolds mediante la

ecuación (1). Para obtener el número de Reynolds se hizo uso de las propiedades

del fluido a las condiciones de operación, esto se puede apreciar en la tabla 4.

Para el cálculo de las velocidades del fluido se hizo uso de la ecuación (3) donde

previamente se calcularon los caudales del fluido. Para el área transversal se

calculó mediante la ecuación (4) donde el manual del equipo nos proporcionó el

diámetro de la tubería, estos parámetros se pueden apreciar en la tabla 4.

Tabla 4. Parámetros utilizados.

Parámetro Valor Unidades

tuberíaD 0.01 m

tA 7.8540∙10 -5 m2

@ 28.0°C 8.91∙10-4 kg/m∙s

@ 28.0°C 996.40 Kg/m3

Para la determinación del régimen de flujo se tomó como referencia el criterio del

flujo según el número de Reynolds (Warren, M. et al. 1998).

Tabla 5. Criterio para los fluidos a partir del numero de Reynolds.

Criterio Régimen

Re < 2100 Laminar 2100 < Re < 4100 Transición

Re > 4100 Turbulento

Tabla 6. Resultados obtenidos.

Caudal de agua (mL/s)

0 10 20 30 40 50

N ú m

e ro

d e

R e

yn o

ld s (

R e

)

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Re

Figura 2. Numero de Reynolds a diferentes caudales.

Conclusiones

Una vez concluidos los resultados es permitido afirmar que son fructuosos, puesto

que en todos los casos, los regímenes laminar, transición y turbulento

corresponden respecto a sus rangos según el número de Reynolds.

Los resultados coinciden a la perfección con las observaciones realizadas durante

la práctica, donde una línea delgada de colorante denotaba un flujo laminar,

mientras que un colorante totalmente difundido en la corriente de agua indicaba un

flujo turbulento.

Q (m3/s)

v (m/s)

Re Régimen Experimental

1.0433∙10-5 0.1328 1485.4949 Laminar 2.2728∙10-5 0.2894 3236.1723 Transición 4.6194∙10-5 0.5882 6577.3721 Turbulento

Como era de esperarse, al aumentar el flujo de agua, aumentaba la velocidad de

flujo y como consecuencia se veía un incremento en el número de Reynolds.

Si bien la operación unitaria estudiada es relativamente sencilla, la comprensión

de los efectos de la velocidad de fluido sobre el régimen de flujo es de suma

importancia. El numero de Reynolds es quizá el numero adimensional de mayor

utilización en cálculos de ingeniería por lo que su entendimiento claramente

resulta fundamental.

La práctica se realizó satisfactoriamente, pues no solo se obtuvieron resultados

visuales, sino que también resultados analíticos y esto nos ayudó a comprender la

estrecha relación de la velocidad con el régimen de flujo y sus efectos sobre el

número de Reynolds.

Recomendaciones

 Tener un recipiente de purga para el agua utilizada durante el experimento

y evitar ser tirada al drenaje.

 Mantener limpio el tanque de almacenamiento para evitar un deterioro del

mismo a causa de los colorantes empleados en la práctica.

 Sustituir las válvulas del equipo y el sistema de bombeo de agua para que

la regulación del flujo sea más sencilla durante su manipulación.

Bibliografía

[1] Warren, M., Julian, S. M. I. T. H., & Peter, H. (1998). Operaciones unitarias

en ingenieria quimica. 1199p.

[2] Bird, R. B., Stewart, W. E., & Lightfoot, E. N. Fenómenos de transporte: un

estudio sistemático de los fundamentos del transporte de materia, energía y

cantidad de movimiento 1996: Ed. Editorial Reverté.

[3] Çengel, Y. A. (2004). Transferencia de calor (No. 660.28427 C4).

[4] Jaramillo Diaz, J. D., Bañol, C., Alonso, H., & Jimmikc, A. A. (2015).

NUMERO DE REYNOLDS.

[5] White, F. M. (1984). Mecánica de fluidos (No. 532 W45Y).

Gracias
Esta solo es una vista previa
3 páginas mostradas de 9 páginas totales
Descarga el documento