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LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
INFORME PRÁCTICA # 4
CAÍDA DE PRESIÓN: TUBERÍA LISA
GRUPO N°
1 Estudiante del programa de Ingeniería Química,
2 Docente de la Universidad de Cartagena.
RESUMEN
En la industria, lo más común es el manejo de fluidos para diferentes procesos, el tener
información sobre los datos de flujo puede hacer la diferencia entre una buena decisión o
una gran cantidad de pérdidas económicas e incluso humanas. En la presente práctica se
tomará como énfasis de análisis la caída de presión de flujos internos en tuberías lisas, con
diámetros de tubería de entre 1’’, ¾’’ y ½’’, caudales de 8 a 24 L/min en intervalos de 4 L y
longitudes de tubería de entre 0,5 y 1 metro. Como resultado del estudio experimental se
logró comprender que la caída de presión en tubería lisa presentaba relaciones de
proporcionalidad directa para longitud de tubería y caudal, y relación de proporcionalidad
inversa para el diámetro de tubería. Este tipo de prácticas son importantes ya que permiten
identificar los factores influyentes en la caída de presión y, de esta manera, poder tomar
decisiones acertadas en casos futuros.
Palabras claves: Caída de presión, tuberías lisas, flujo interno, caudal, medidor de presión
diferencial, ecuación de Darcy-Weisbach, régimen de flujo, coeficiente de fricción.
ABSTRACT
In the industry, the most common thing is the management of fluids for different processes,
having information about flow data can make the difference between a good decision or a
large amount of economic and even human losses. In this practice, the emphasis of the
analysis will be the pressure drop of internal flows in smooth pipes, with pipe diameters
between 1'', ¾'' and ½'', flow rates of 8 to 24 L/min in intervals of 4 L and pipe lengths
between 0.5 and 1 meter. As a result of the experimental study, it was possible to
understand that the pressure drop in smooth pipe presented direct proportionality for pipe
length and flow rate, and inverse proportionality for pipe diameter. These types of practices
are important since they allow the factors influencing the pressure drop to be identified and,
in this way, to be able to make correct decisions in future cases.
Keywords: Pressure drop, smooth pipes, internal flow, flow rate, differential pressure
gauge, Darcy-Weisbach equation, flow regime, coefficient of friction.
INTRODUCCIÓN Este informe de laboratorio examinará y
analizará en detalle el comportamiento de un
sistema de tubería lisa en función de la caída
de presión. En particular, la atención se
centrará en examinar las variables que
influyen en este fenómeno. La caída de
presión en las tuberías es fundamental para
comprender el comportamiento del flujo de
fluidos y su eficiencia en una variedad de
aplicaciones industriales y comerciales. Será
importante estudiar cómo factores como la
velocidad del fluido, la longitud y el
diámetro de la tubería, el caudal y otros
afectan la caída de presión en el sistema.
1. OBJETIVOS
1.1 Objetivo general:
❖ Evaluar la caída de presión de un fluido
a lo largo de una tubería lisa, teniendo en
cuenta diferentes caudales, diámetros y
longitudes.
1.2 Objetivos específicos:
❖ Calcular la caída de presión teórica a
diferentes condiciones de caudal,
longitud y diámetro, mediante la
ecuación general de energía.
❖ Analizar los efectos de la variación de
condiciones, mediante gráficas de caída
de presión teórica y experimental contra
caudal.
❖ Determinar el porcentaje de error entre
la caída de presión teórica y
experimental, para identificar los
factores que influyen en la medición.
2. MARCO TEÓRICO
Los sistemas de conductos están diseñados
para mantener un flujo específico y una
presión de fluido particular en puntos
críticos. Si la presión es demasiado alta o
insuficiente, pueden surgir problemas
operativos que generarán gastos prevenibles.
2.1 CAÍDA DE PRESIÓN
La caída de presión en un sistema de
tuberías es una pérdida de energía que
ocurre debido a la fricción del fluido contra
las paredes de las tuberías y a cambios en la
velocidad del flujo. Esta pérdida de presión
puede tener un impacto significativo en la
eficiencia y el rendimiento de un sistema de
tuberías, y es esencial calcular y controlar la
caída de presión para garantizar un
funcionamiento óptimo del sistema
La caída de presión en tuberías se ve
influenciada por varios factores esenciales
en el diseño y optimización de sistemas de
transporte de fluidos. Estos factores incluyen
el diámetro de la tubería, la longitud de esta,
la tasa de flujo, las propiedades del fluido y
la rugosidad de la tubería. Además, los
accesorios de tubería y válvulas introducen
pérdidas menores que contribuyen a la caída
de presión total (𝑀𝑜𝑡𝑡, 𝑅, 2020).
2.2 FLUJO INTERNO
Son los flujos que quedan completamente
limitados por superficies sólidas. Como el
flujo que pasa en tuberías y en ductos.
La naturaleza del flujo a través de un tubo
está determinada por el valor que tome el
número de Reynolds, de manera que si
𝑅𝑒 < 2000 se considera laminar, y si
𝑅𝑒 > 4000 se considera turbulento
Longitud de
tubería
𝑐𝑚
Depe
ndien
tes
Número de
Reynolds
Adimensional
Caída de
presión
experimental
𝑘𝑃𝑎
Caída de
presión
teórica
kPa
Inter
vinie
ntes
Viscosidad
del agua
𝑘𝑔
𝑚*𝑠
Densidad del
agua
𝑘𝑔/𝑚
3
Rugosidad
de tubería
𝑚𝑚
Fuente: Autores.
3.2 ALISTAMIENTO DE LA
PRÁCTICA
Con el objetivo de realizar de una manera
óptima y efectiva esta práctica de laboratorio
“Caída de presión: Tubería lisa” (Anexo 1)
se siguieron los siguientes pasos:
- Verificar que el equipo se encuentre
conectado.
- Revisar que los tanques estén por lo
menos al 60% de su capacidad.
- Verificar que el botón tipo hongo de paro
de emergencia esté en la posición
adecuada, es decir, no presionado; de lo
contrario dar media vuelta para liberarlo.
2.3 PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL
Luego del alistamiento del equipo para la
experimentación, para el desarrollo de la
práctica se debe tener en cuenta las
siguientes pautas:
- Identificar el diámetro de las tuberías con
las que se va a trabajar ½”, 1”, ¾”,
respectivamente (ver diagrama de equipo).
Para esta práctica son los tramos de tubería
lisa 1, 3, 7 de 50 𝑦 100 𝑐𝑚.
- Se abren las válvulas que conduzcan al
primer tramo de tubería y se cierran las
demás, con el fin de que el fluido no se
desvíe.
- Para darle paso al agua, primero se toma
una distancia de 0,5 m.
- Se procede a la conexión de las
mangueras, se abren las válvulas donde se
encuentran conectadas y se toma la caída de
presión que indica el manómetro.
- Se repite cinco veces el paso número 3
variando el caudal a 24, 20, 16, 12 y 8 L/min
respectivamente.
- Se cierran las válvulas y se retiran las
mangueras para colocar la distancia de la
tubería a 1 m. Luego, se vuelven a conectar
las mangueras, se abren las válvulas y se
repite el paso número 4.
- Para el cambio de tramo de tubería,
primero se abre paso a la nueva tubería
(tramo 3), para luego, cerrar la anterior
tubería utilizada (tramo 1).
- Para la toma de datos de caída de presión
en los tramos 3 y 7, se repiten los pasos 2, 3,
4 y 5.
En definitiva, se realizará la medición de 60
puntos experimentales de caída de presión
(kPa), para diámetros de tubería de 1”, ½” y
¾”, siendo 20 datos experimentales de caída
de presión para cada diámetro de tubería, a
longitudes de 50 cm y 100 cm, tomando el
respectivo dato Original y Replica, todo esto
en base a 5 caudales diferentes.
Nota: para esta práctica, las bombas trabajan
en paralelo, para manejar mayor velocidad
de fluido.
4. CÁLCULOS
4.1. VELOCIDAD DEL FLUIDO
Calculamos en primer lugar el área de la
tubería (𝐴 ):
𝐴 = π
𝐷
2
4
Donde:
❖ 𝐷: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.
Finalmente calculamos la velocidad del
fluido (𝑉 ):
𝑄
𝐴
Donde:
4.2. NÚMERO DE REYNOLDS
ρ𝑉𝐷
μ
Donde:
❖ ρ: 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
❖ μ: 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
4.3. FACTOR DE FRICCIÓN ( )𝑓
● Para régimen laminar (𝑅𝑒 < 2000 )
64
𝑅𝑒
● Para régimen turbulento
0,
log𝑙𝑜𝑔
ε 3,7𝐷
5, 𝑅𝑒
⎡ ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
Donde:
❖ ε: 𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.
4.4. PÉRDIDA DE ENERGÍA (O
PÉRDIDA DE CARGA) POR
FRICCIÓN ℎ
𝐿
𝐿
𝐿
𝐷
𝑉
2
2𝑔
Donde:
❖ 𝐿: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎.
4.5. CAÍDA DE PRESIÓN (∆𝑃 )
Considerando que entre dos puntos
evaluados:
● No hay variación de caudal ni de
diámetro, por lo tanto, 𝑉. 1
2
● Se mantiene la misma altura (ambos
ubicados en sentido horizontal), se tiene
que 𝑍. 1
2
● No hay dispositivos mecánicos como
turbinas o bombas ( ℎ ) y tampoco 𝐴
hay accesorios ( ℎ ). 𝑅
La Ec. 1 queda de la siguiente manera:
𝐿
γ 𝐸𝑐. 8
Donde:
❖ γ: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
4.6. PORCENTAJE DE ERROR (%𝐸 )
%𝐸 = 100×
∆𝑃 𝑇
−∆𝑃 𝐸 ∆𝑃 𝑇
Donde:
Fuente: Autores.
Figura 3. Caída de presión vs caudal en una
tubería de 1/2" de diámetro con una longitud
de 1 m.
Fuente: Autores.
Caso contrario, si observamos desde la
Figura 3 a la Figura 2, es decir, el caso
donde se presenta una reducción de la
longitud de tubería, tendremos que, si se
reduce la longitud de la tubería, la caída de
presión será menor, ya que el flujo tiene que
superar una distancia más corta y, por lo
tanto, experimenta menos resistencia.
5.1.3. CAÍDA DE PRESIÓN CON
VARIACIÓN DEL DIÁMETRO DE
TUBERÍA
En una tubería de longitud constante (0,
m), es observable desde la Figura 4 a la
Figura 6, que en la medida que se aumenta
el diámetro de la tubería, se reduce la caída
de presión. Esto se debe a que un diámetro
más grande proporciona un área de sección
transversal mayor para el flujo, lo que
disminuye la velocidad del fluido y, por lo
tanto, la resistencia al flujo. La relación
entre el diámetro y la caída de presión se
rige por la ecuación de continuidad y la
ecuación de Darcy-Weisbach donde presenta
una relación de proporcionalidad inversa.
Figura 4. Caída de presión vs caudal en una
tubería de 1/2" de diámetro con una longitud
de 0,5 m.
Fuente: Autores.
Figura 5. Caída de presión vs caudal en una
tubería de 3/4" de diámetro con una longitud
de 0,5 m.
Fuente: Autores.
Figura 6. Caída de presión vs caudal en una
tubería de 1" de diámetro con una longitud
de 0,5 m.
Fuente: Autores.
Caso contrario, si observamos desde la
Figura 6 a la Figura 4, es decir, el caso
donde se presenta reducción del diámetro de
tubería, tendremos que, si se reduce el
diámetro de la tubería, aumentará la caída de
presión, ya que el flujo se comprime en un
espacio más estrecho, lo que aumenta la
velocidad y la resistencia al flujo.
5.2. ANÁLISIS DE PORCENTAJE DE
ERROR
En el transcurso de esta práctica
experimental, nos hemos enfocado en
estudiar la caída de presión en una tubería
lisa bajo diversas condiciones de caudal,
longitud y diámetro. Durante este proceso,
hemos obtenido porcentajes de error que, en
algunos casos, han resultado ser
inusualmente elevados. Es esencial destacar
que, a pesar de estos porcentajes de error
significativos, hemos logrado cumplir con el
propósito fundamental de nuestra
investigación: demostrar los principios
teóricos y comprender el comportamiento de
la caída de presión en función de las
variables mencionadas.
5.2.1. PORCENTAJE DE ERROR CON
VARIACIÓN DE LONGITUD DE
TUBERÍA
Es notorio en las Tablas 2 y 3 como
disminuye el porcentaje de error a medida
que aumenta la longitud de tubería, esto es
debido a que, en tuberías más largas, es
posible que los efectos de entrada y salida
(conocidos como efectos de extremo) sean
menos significativos en comparación con
tuberías más cortas.
Tabla 2. Datos de ΔPT y ΔPE a diferentes
caudales para cuantificar el porcentaje de
error a una longitud de 0,5 m con un
diámetro constante de 3/4”.
0,5 m
Caudal
(L/min)
ΔPT (kPa) ΔPE (kPa) %E
24 0,71^ 0,92^ 29,
20 0,51^ 0,71^ 37,
16 0,35^ 0,55^ 57,
12 0,21^ 0,42^ 99,
8 0,10^ 0,31^ 197,
Fuente: Autores.
Tabla 3. Datos de ΔPT y ΔPE a diferentes
caudales para cuantificar el porcentaje de
error a una longitud de 1 m con un diámetro
constante de 3/4”.
1 m
Caudal
(L/min)
ΔPT (kPa) ΔPE (kPa) %E
24 1,42^ 1,01^ 29,
20 1,02^ 0,75^ 27,
16 0,69^ 0,68^ 2,
12 0,42^ 0,57^ 37,
8 0,20^ 0,36^ 75,
Fuente: Autores.
5.2.4. DESVIACIÓN ESTÁNDAR.
De forma global se obtuvieron datos
desviación estándar mínimos calculados a
partir de la función de Excel
“DESVEST.M”, esto nos da a entender la
buena precisión en la toma de datos
(Original y Réplica).
5.2.5. DATOS ATÍPICOS
Lastimosamente, durante nuestro estudio
algunos porcentajes de error fueron
excepcionalmente elevados, llegando a
alcanzar valores tan sorprendentes como un
709,90% como se observa en la Tabla 6.
Estas anomalías en los resultados merecen
una atención especial y un análisis detallado
para comprender mejor las causas
subyacentes y las implicaciones de estos
errores inusuales.
Razones detrás de los altos porcentajes de
error:
Fuente de datos o medición defectuosa: En
algunos casos, los porcentajes de error
extremadamente altos pueden deberse a la
recopilación de datos incorrectos o a errores
en el proceso de medición. Es fundamental
examinar la calidad y la precisión de los
datos iniciales utilizados en el análisis.
Modelo o método de cálculo inadecuado:
Los porcentajes de error también pueden
dispararse cuando se utilizan modelos
matemáticos o métodos de cálculo
inapropiados para estimar o calcular valores
esperados.
Errores humanos: La posibilidad de errores
humanos, como la introducción incorrecta
de datos o cálculos incorrectos, tampoco
debe descartarse.
Entonces, queda claro que la práctica de
laboratorio está abierta a todo tipo de error,
sin embargo, debemos tener claro los
principios conceptuales y determinar que
como mínimo se cumple la teoría a pesar de
presentar ciertas anomalías, en este caso se
pudo establecer las relaciones respectivas de
proporcionalidad de caída de presión frente
las diferentes condiciones de caudal,
longitud y diámetro.
6. CONCLUSIONES
En definitiva, el análisis de la caída de
presión en una tubería lisa ha demostrado
que existen varios factores que influyen en
este fenómeno. En una tubería lisa, la caída
de presión aumenta a medida que crece el
caudal y la velocidad del fluido que recorre
la tubería. A su vez, disminuye a medida que
el diámetro de la tubería aumenta, es decir,
es inversamente proporcional al diámetro de
la tubería. Por último, tenemos que la
longitud de tubería es una dependencia
directamente proporcional ya que entre más
largo es el tramo que recorre el fluido,
mayor serán las pérdidas y caída de presión.
Por otro lado, se obtuvo que a medida que se
aumentaba la longitud de la tubería, los
porcentajes de error disminuían debido a una
menor influencia de los efectos de entrada y
salida en tuberías más largas. Sin embargo,
al aumentar el diámetro de la tubería, los
porcentajes de error aumentaron,
posiblemente debido a la dificultad de medir
con precisión pequeñas diferencias de
presión en tuberías más grandes. Los
porcentajes de error en función del caudal
no mostraron un patrón claro, lo que subraya
la complejidad de los sistemas de flujo de
fluidos.
RECOMENDACIONES DE
SEGURIDAD E HIGIENE:
❖ Recomendaciones para el uso del
equipo de intercambiador de calor.
- Revisar que la estructura del equipo
esté fija con los frenos puestos
colocados en cada llanta.
- Verificar que las válvulas de entrada y
salida de flujo en las bombas se
encuentren abiertas.
- Revisar que el tanque de
almacenamiento se encuentre por
encima del 60% de capacidad.
- Verificar que el botón de emergencia de
tipo hongo esté en la posición
adecuada, es decir no esté presionado;
de lo contrario dar media vuelta para
liberarlo.
- Colocar la capacidad en cero de todas
las bombas antes de apagar el equipo.
- Realizar una purga cada vez que se
finalice la práctica, para eliminar las
trazas de agua.
❖ Recomendaciones de seguridad
personal.
- Utilizar bata de laboratorio y
zapatos cerrados durante la práctica.
- No se permite el uso jeans rotos,
minifaldas y pantalones cortos en el
laboratorio.
- Precaución a la hora de conectar
el equipo.
- No hacer uso de accesorios distractores
(anillos, pulseras, manillas, reloj, etc.).
- No ingerir alimentos durante la práctica
ni mucho menos dentro del laboratorio.
- No correr, evitar
desplazamientos innecesarios.
REFERENCIAS
Çengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2012).
Mecánica de fluidos: Fundamentos y
aplicaciones. Editorial McGraw Hill.
Ecuación de la energía (s.f.).
Cuevadelcivil.com. Recuperado el
16 de septiembre de 2023, de
https://www.cuevadelcivil.com/2011/
05/ecuacion-de-la-energia.html
Mott, R. L. (2006). Mecánica de fluidos
(sexta edición). Mexico: PEARSON
EDUCATION
Munson, B. E., Young, B. F., Okiishi, T. H.
(2016). Fundamentals of Fluid
Mechanics. John Wiley & Sons.
Pipe pressure drop calculations: Essential
equations and guidelines. (2023).
HVAC/R & Solar; HVAC and Solar
Energy Engineering.
Vega, J. (s.f.). Flujos en tuberías: Flujos
internos. Edu.Ve. Recuperado el 16
de septiembre de 2023, de
http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/
F_DE_T-153.htm
White, F. (2016). Mecánica de fluidos.
Editorial MacGraw Hill
Anexo 2. Diagrama de flujo.
Fuente: Autores.
Anexo 3. Tabla de recopilación de datos para práctica de “Caída de presión: Tubería Lisa”.
Caída de presión (kPa)
Diámetr
o
Longitud 50 cm 100cm 50cm 100cm 50cm 100cm
Caudal
(L/min)
O R O R O R O R O R O R
Fuente: Autores.
