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Documento que presenta el cálculo de la pérdida total de energía en tuberías, así como la determinación de los coeficientes de pérdida por fricción y por accesorios, como válvulas. Se incluyen ejemplos con distintos caudales y diametros de tuberías, así como gráficas que representan la relación entre la presión y la longitud de tubería antes y después de la válvula.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería Civil
Código: CI565 Sección:
Fecha:
Docente: Valenzuela Ríos Shirley
Orden Apellidos y Nombres Código
1 Osorio Rivera Deyvis U
1.1. Objetivo general
● Ejecutar adecuadamente los procedimientos de cada ensayo de mecánica
de fluidos, y de esa forma poder obtener valores que nos permitan realizar
los cálculos necesarios para obtener resultados que nos permitan entender
el cambio de presiones en tuberías en diferentes condiciones.
1.2. Objetivos específicos
● Manejar adecuadamente y verificar que los equipos de laboratorio se
encuentren equilibrados y limpios, de esa forma obtendremos valores con
mayor precisión.
● Calcular el coeficiente de pérdida por accesorio mediante la ecuación de
Darcy-Weisbach.
● Calcular el coeficiente de fricción de cada caudal medido tanto para la
tubería de cobre como para la tubería de PVC.
● Calcular el coeficiente de pérdida por accesorio de codos y ángulos.
● Realizar los cálculos preliminares de velocidad y número de Reynolds.
● Realizar gráficas de presión vs longitud para cada ensayo de laboratorio, y
posteriormente con los datos obtenidos de las gráficas calcular el
coeficiente de fricción el caso de pérdida por fricción y hallar la caída de
presión por accesorio en el caso de pérdida de energía por válvula.
● Comparar los resultados experimentales con valores teóricos.
Para un flujo incomprensible, permanente y unidimensional que fluye a través de una
tubería se dan pérdidas por fricción y por el mismo choque con la tubería tanto en
accesorios como válvulas, codos y ángulos.
En la ecuación de Bernoulli nos indica que de forma ideal la energía resulta de la
sumatoria de la energía cinética y la energía potencial resultando igual en la entrada
como en la salida de una tubería, pero si aplicamos este concepto en la vida reales
tendremos que tomar en cuenta que existen pérdidas de energías totales por la
fricción interna de la tubería con el fluido y por el choque con accesorios.
Figura 1. Superficie rugosa de una tubería
A partir de la ecuación de Bernoulli y Darcy-Weisbach obtenemos lo siguiente:
1
γ
1
2 g
1
2
γ
2
2 g
2
p
h
p
=h
f
acc
Donde:
P1= presión en el primer punto
γ =peso específico del fluido
g =gravedad
z 1 =altura desde una línea de referencia
=presión en el segundo punto
z 2 =altura desde una línea de referencia
hp =pérdida totales
hf =pérdida por fricción
hacc=pérdida por accesorio
2.1. Pérdida de energía por fricción
Las pérdidas por fricción resultan de la fricción interna en el fluido con la
pared de la tubería, que se da conforme pasa en un sistema de tuberías y
dependiendo del tipo de material. Estás pérdidas generan que la presión
en la tubería disminuya de forma gradual en todo su tramo, para poder
calcular la pérdida por fricción se utiliza la ecuación de Darcy-Weisbach.
h
f
=f
2
2 g
Donde:
f =factor de fricción
=longitud de la tubería
V =velocidad del fluido
D=diámetro de la tubería
g=gravedad
hf =perdida por fricción
Para poder hallar el coeficiente de fricción va depender del tipo de flujo
que se da en las tuberías.
Flujo laminar
f =
Donde:
f =factor de fricción
2.2. Pérdida de energía por accesorio
2.2.1. Pérdida de energía por válvula
La pérdida de energía por válvula al igual que la pérdida por
fricción forma parte de la pérdida total de energía en la tubería,
en este caso es una pérdida por accesorio la cual altera la
velocidad del fluido, es decir que con accesorios como la válvula
se puede regular o controlar el flujo volumétrico. Al igual que la
pérdida por fricción, para hallar la pérdida por accesorio se utiliza
la ecuación de Darcy-Weisbach.
Figura 2.2. Válvula de tipo Globo
Ecuación de Darcy-Weisbach
h
acc
2
2 g
Donde:
hacc=perdida por accesorio
K =coeficiente de perdida por accesorio
V =velocidad del fluido
g=gravedad
Para el cálculo del coeficiente de pérdida por fricción tenemos
valores determinados de acuerdo al accesorio que se utiliza.
Figura 2.4. Tipos de válvulas
Tipos de válvulas:
● Válvulas de aislamiento: Su función es interrumpir el flujo de
la línea en forma total y cuando sea necesario.
● Válvula de retención: Su misión es impedir que el flujo no
retroceda hacia la zona presurizada cuando esta decrece o
desaparece.
● Válvula de regulación: Su misión es modificar el flujo en
cuanto cantidad, desviarlo, mezclarlo o accionarlo de forma
automática.
● Válvulas de seguridad: Utilizado para proteger equipos y
personal contra la sobre presión.
2.2.2. Pérdida de energía por codos y ángulos
De la misma forma que la pérdida por válvulas, en los codos y ángulos
de la tubería se dan pérdidas por accesorios, ya que alteran la
velocidad y la dirección del fluido.
La diferencia entre los codos y ángulos es el tipo de flujo que se da,
mientras que en los ángulos el flujo es continuo, en los codos el flujo es
interrumpido de forma brusca, generando una disminución de la
velocidad.
Figura 2.5. Comportamiento del flujo en tuberías de codo y ángulo
3.1. Materiales
Rotámetro
Banco piezométrico
Tuberías de cobre y PVC
3.2. Procedimiento
Primero empezamos con la medición del caudal (m3/h) en el rotámetro; para la
tubería de cobre y PVC se realizarán tres mediciones del caudal, seguido
vamos al banco piezométrico y tomamos lectura de presiones (mm.c.a) en 5
puntos.
Este procedimiento se realizará de igual forma tanto para la tubería de PVC y
de cobre.
− 4
(
π ×
− 3
2
)
m
s
Viscosidad cinemática del agua→ γ = 10
− 6
m
2
s
γ
− 3
− 6
Resultado
V(m/
s) Re f
Gráfica de presión (m.c.a) en función de la distancia (m)
Gráfica 3.1. Presión vs longitud de tubería de cobre
Factor de fricción obtenido de la tabla de Moody
f1=0.
f2=0.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
f(x) = − 0.0458181818181818 x + 0.
f(x) = − 0.03 x + 0.
f(x) = − 0.014 x + 0.
Q=
0.8(m3/h)
Linear (Q=
0.8(m3/h))
Q=
1.2(m3/h)
Linear (Q=
1.2(m3/h))
Distancia (m)
Presión (m.c.a)
f3=0.
Determinar el factor de fricción experimental
h
f
f
2
2 g
h
f
f =
S∗D∗ 2 g
2
Para obtener el valor de S , vamos a la gráfica y
vemos enla ecuación aproximadaque S es la pendiente
f 1 =
S × 2 × g × D
2
2
f 2 =
S × 2 × g × D
2
2
f 3 =
S × 2 × g × D
2
2
Porcentaje de error
Error %=¿Valor aproximado−Valor exacto∨
¿ Valor exacto∨¿∗ 100 ¿
f 1 Error %=
f 2 Error %=
f 3 Error %=
Tubería de PVC
Q(m3/h)
Tubería de pvc d=15.2mm
h1(mm) h2(mm) h3(mm) h4(mm) h5(mm) Q(m3/s) V(m/s) Re f
− 4
0.6123 9306.96 0.
− 4
1.225 18620 0.
− 4
1.837 27922.4 0.
V(m/s) Re f
f 1 =
S × 2 × g × D
2
2
f 2 =
S × 2 × g × D
2
2
f 3 =
S × 2 × g × D
2
2
Porcentaje de error
Error %=¿Valor aproximado−Valor exacto∨
¿ Valor exacto∨¿∗ 100 ¿
f 1 Error %=
f 2 Error %=
f 3 Error %=
4.1. Materiales
Rotámetro
Banco piezométrico
Válvula tipo bola
Válvul tipo globo
4.2. Procedimiento
Primero empezamos por añadir una válvula de tipo bola a la tubería, seguido
empezamos con la lectura de caudal en el rotámetro; se realizará dos
mediciones por válvula, en este ensayo tomaremos lectura de la presión en 6
punto. Para la válvula globo se realiza el mismo procedimiento.
4.3. Cálculo y Gráficas
Modelo de válvula bola
Medición 1
Convertir caudal de
m 3
h
a
m 3
s
m
3
h
1 h
3600 s
− 4
m
3
s
Calcular la velocidad
− 4
(
− 3
2
)
m
s
Medición 2
Convertir caudal de
m 3
h
a
m 3
s
m
3
h
1 h
3600 s
− 4
m
3
s
Calcular la velocidad
− 4
(
π ×
− 3
2
)
m
s
Gráfica de pérdida por válvula Bola Q=0.4 m3/h
Gráfica 4.1. Presión vs longitud de tubería con válvula bola
Gráfica de pérdida por válvula Bola Q=0.8 m3/h
Q(m3/h)
Modelo de válvula: Bola (V12)
Presión en mm de columna de agua (mm.c.a)
h1 h2 h3 h4 h
h
Q(m3/s) V(m/s)
− 4
− 4
Para válvula bola: 0.08 ≅ K aproximadamente:
K= 0.962; K= 0.
Notamos de igual manera que hay mucha diferencia en cuanto
al coeficiente de perdida de carga K.
Modelo de válvula globo
Medición 1
Convertir caudal de
m 3
h
a
m 3
s
m
3
h
1 h
3600 s
− 4
m
3
s
Calcular la velocidad
− 4
(
π ×
− 3
2
)
m
s
Medición 2
Convertir caudal de
m 3
h
a
m 3
s
m
3
h
1 h
3600 s
− 4
m
3
s
Calcular la velocidad
− 4
(
π ×
− 3
2
)
m
s
Q(m3/h)
Modelo de válvula: globo (V11)
Presión en mm de columna de agua (mm.c.a)
h1 h2 h3 h
h5 h
Q(m3/s) V(m/s)
− 4
− 4
Gráfica de pérdida por válvula globo Q=0.4 m3/h
Gráfica 4.3. Presión vs longitud de tubería con válvula globo
Gráfica de pérdida por válvula globo Q=0.6 m3/h
f(x) = − 0.0625 x + 0.
f(x) = − 0.0693181818181819 x + 0.
Pérdida por válvula Globo Q=0.4m3/h
P(m.c.a) vs L(m)
antes de la
válvula
Linear (P(m.c.a)
vs L(m) antes
de la válvula)
hacc=0.
hacc=0.
