Mecánica de Fluidos

martes, 17 de noviembre de 2015

Perdidas por Fricción en Tuberias

Noviembre del 2015

Fundación Universidad de América

Karent Daniela Tarquino Nieto

Código. 5131648

Informe, Practica de laboratorio N°3

Perdidas por Fricción en Tuberías

MARCO TEÓRICO

Cuando el flujo pasa por las tuberías se producen perdidas de carga como consecuencia de la fricción interna y la fricción entre el fluido y la pared.
Para el caso del flujo en tuberías y tubos, la fricción es proporcional a la carga de velocidad del flujo y a la relación de la longitud al diámetro de la corriente. esto se expresa en forma matemática con la ecuación de Darcy:

Donde hL es la perdida de energía debido a la fricción, L: longitud de la corriente del flujo, D: diámetro de la tubería, v: velocidad promedio del flujo y f. factor de fricción.

La ecuación de Darcy se utiliza para calcular las perdidas debido a la fricción en secciones rectilíneas y largas de tubos redondos, tanto para flujo laminar como turbulento.
La gran diferencia entre el flujo laminar y el turbulento es la forma de determinar el factor de fricción.

Para flujo laminar: el fluido parece moverse como si fueran varias capas, una sobre la otra, se pierde energía del fluido por la acción de las fuerzas de fricción que hay que vencer y que son producidas por el efecto cortante.

Para flujo turbulento:este flujo es caótico y varia en forma constante, por lo tanto para determinar el factor de fricción se recurre a datos experimentales, ademas de esto este factor depende de el numero de Reynolds y y la rugosidad relativa de la tubería y comúnmente se calcula a través del diagrama de Moody.

DESCRIPCIÓN DE LA PRACTICA
Para el desarrollo de la practica se utiliza el modulo básico Gunt HM 150.01, el cual permite determinar la perdida que se genera en una tubería por fricción ya sea en flujo laminar o turbulento.
Este equipo permite estudiar la relación entre la perdida de carga como consecuencia de la fricción en fluidos y la velocidad en el flujo del tubo.

El equipo posee una sección de tubo con un diámetro pequeño en el cual se genera un flujo, a partir del caudal y la perdida de carga se determina del numero de Reynolds y el factor de fricción del tubo.
El caudal requerido durante la practica es regulado por medio de válvulas.
En el caso de las perdidas en el flujo laminar, estas son determinadas en 2 tubos manometricos y el flujo laminar es leído en un manómetro de aguja.

Equipo HM 150.01, ensamblado para flujo turbulento.

Equipo HM 150.01, ensamblado para flujo laminar.

DATOS TOMADOS EN LA PRACTICA Y CÁLCULOS

Flujo laminar

Procedimiento	Volumen mL	Tiempo seg	Presión cmH₂O
1	89	31,48	5,5
2	80	50,65	2,7
3	100	52,50	3

Peso especifico y=9800N/m3

Viscosidad cinemática u=1,08x10-6 m2/s

Diámetro interior tubo N°13 D= 3mm=0,003m

Área interior tubo N°3 A=7,07mm2=7,07x10-6m2

Longitud de la tubería L=0,4m

Procedimiento 1

Procedimiento 2

Procedimiento 3

Procedimiento	Volumen m³	Tiempo seg	H_L exp m	*Q 10-6 m³/s**	v m/s	Re	f exp	f teo	h_L teo m
1	8,9*10-5	31,48	0,0550	2,827	0.399	1110,8	0,020	0,057	0,0626
2	8*10-5	50,65	0,0270	1,5794	0,223	620,56	0,079	0,103	0,0349
3	1*10-4	52,50	0,0300	1,90476	0,269	748,37	0,0608	0,085	0,0421

Flujo turbulento

Procedimiento	Volumen mL	Tiempo seg	Presión Bares
1	230	8,97	0,19
2	380	14,85	0,183
3	230	12,80	0,191

Peso especifico y=9800N/m3

Viscosidad cinemática u=1,08x10-6 m2/s

Diámetro interior tubo N°13 D= 3mm=0,003m

Área interior tubo N°3 A=7,07mm2=7,07x10-6m2

Longitud de la tubería L=0,4m

Rugosidad absoluta E=0,0015mm=1,5*10.6m

Rugosidad relativa D/E=2000 E/D=0,0005

Procedimiento 1

Procedimiento 2

Procedimiento 3

Procedimiento	Volumen m³	Tiempo seg	H_Lexp m	*Q10-5 m³/s**	v m/s	Re	f exp	f teo	h_L teo m
1	2,3*10-4	8,97	1,938	2,5641	3,626	10074,2	0,0216	0,031	2,770
2	3,8*10-4	14,85	1,867	2,5589	3,619	10053,9	0,0209	0,031	2,759
3	2,3*10-4	12,80	1,948	1,7968	2,5415	7059,85	0,0218	0,035	1,536

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Tanto 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.
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.
El numero de Reynolds permite clasificar de forma sencilla el tipo de flujo que esta en el sistema siendo laminar los menores a 2300 y turbulento los mayores a 4000.
En el flujo turbulento 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.

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.
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.
La diferencia entre los valores obtenidos teóricamente y los experimentales del valor de las perdidas, radica en la sensibilidad y la calibración de los manómetros.

UTILIDAD DE LA PRACTICA
La practica realizada permite observar de forma ludica como el caudal afecta directamente las perdidas de energía por fricción que se generan en una tubería; permitiendo al estudiante realizar una comparación entre las perdidas que se generan en un flujo laminar y las de un flujo turbulento, brindándole la oportunidad a este de interactuar con la realidad y aplicar los conocimientos previamente adquiridos.

BIBLIOGRAFIA

[anonimo] http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/fricci%C3%B3n/fricci%C3%B3n.htm
MOTT, Robert L.; Mecanica de fluidos; Sexta edición, Editorial Person, Pag 233-236
[anonimo] http://www.gunt.de/static/s4320_3.php

lunes, 16 de noviembre de 2015

Numero de Reynolds

Noviembre del 2015

Fundación Universidad de América

Karent Daniela Tarquino Nieto

Código. 5131648

Informe, Practica de laboratorio N°2

Numero de Reynolds

MARCO TEÓRICO

El numero de Reynolds (Re) se define como la relación entre fuerzas de inercia y fuerzas de viscosidad. Su nombre fue sugerido por Moritz Weber como un homenaje a Osborne Reynolds(1842-1912), ingeniero británico quien en sus investigaciones sobre flujo viscoso lo introdujo como un parámetro adimensional que gobierna el comportamiento de este tipo de fluidos.

El comportamiento de un fluido, en particular en lo que se refiere a las perdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento; por esto es necesario tener un medio que permita predecir el tipo de flujo sin tener que observar en realidad cual es el comportamiento del flujo. Osborne Reynolds fue el primero en demostrar que es posible predecir el flujo ya sea laminar o turbulento, si se conoce la magnitud de un numero adimensional (Re).

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

Hay 3 rangos que permiten clasificar el fluido según el numero de Reynolds en tuberías circulares, estos son:

Re<2300 Flujo con comportamiento laminar.
2300<Re<4000 Zona de transición.
Re>4000 Flujo con comportamiento turbulento.

DESCRIPCIÓN DE LA PRACTICA

Para el desarrollo de la practica se utilizo un Modulo básico Gunt HM 150 al cual se le instalo el equipo HM 150.18. El equipo utilizado permite representar el flujo laminar y turbulento, el cual se puede observar a través de una tubería transparente con la ayuda de azul de metileno, lo cual permite visualizar de forma mas clara el comportamiento del flujo que esta pasando a través de la tubería.

La representación del comportamiento del flujo se debe a un contraste de color introducido, en el caso de la practica realizada azul de metileno.

El equipo donde se realizo la practica consta de una válvula que permite ajustar el caudal que pasa por la sección del tubo transparente. El azul de metileno se introduce en el agua que fluye; el equipo consta con unas esferas de vidrio lo que permite que el flujo se uniforme y no presente turbulencia en el deposito.

Equipo HM 150.18

DATOS TOMADOS EN LA PRACTICA

	Laminar	Transición	Turbulento
Volumen (L)	0,7	0,4	1
Tiempo (seg)	44,53	15,86	10

CÁLCULOS REQUERIDOS

Flujo Laminar

Imagen 1. Ilustración del flujo Laminar en el equipo HM 150.18

Flujo Transición

Imagen 2. Ilustración flujo de Transición en el equipo HM 150.18

Flujo Turbulento

Imagen 3. Ilustración del flujo turbulento en el equipo HM 150.18

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para obtener los resultados del flujo laminar se utilizo un caudal muy pequeño, esto permitió observar un hilo azul delgado y homogéneo a traves de la tuberia de vidrio, este comportamiento se puede observar en la imagen 1. ademas este se comprobó con los cálculos necesarios dando como resultado un numero de Reynolds inferior a 2300 lo que nos confirma lo visualizado en la tuberia de vidrio.
En el flujo turbulento se observan a travez del tubo de vidrio trazas mas marcadas de la tinta azul, pero no se ve homogeneo, puesto que hay zonas mas oscuras y donde la "concentracion" de la tinta es mayor, esto se observa en la imagen 2. este comportamiento del fluido se comprueba con los calculos necesarios, obteniendo de esta manera un numero de Reynolds entre 2300 y 4000, el cual corresponde a un flujo de transicion.
En la imagen 3. se observa que el fluido que esta pasando por la tuberia de vidrio es totalmente azul claro, lo cual indica que el azul de metileno (tinta utilizada) esta totalmente diluida en el agua, en conclusion esto muestra el comportamiento tipico de un flujo turbulento que al comprobarlo matematicamente muestra un numero de Reynolds superior a 4000.

CONCLUSIONES

El numero de Reynolds es afectado directamente por el caudal que tiene el fluido, puesto que a menor caudal el numero de Reynolds va a tener un menor valor lo que indica una tendencia hacia un flujo laminar; por el contrario al aumentar el caudal el numero de Reynolds va a aumentar mostrando un comportamiento de un flujo turbulento.
Se demostro practicamente el comportamiento que puede tener un flujo, ya sea laminar, transicion o un flujo turbulento.
El equipo HM 150.18 permite visualizar de forma sencilla el flujo de un fluido y como este es afectado por el caudal que tenga.
El numero de Reynolds permite realizar una clasificacion sencilla para determinar que tipo de flujo es el que se esta dando en un sistema.

UTILIDAD DE LA PRACTICA
La practica desarrollada permite al estudiante visualizar lo aprendido en clase, sobre el numero de Reynolds y los diferentes comportamientos que puede tener un flujo en un sistema y como este se ve afectado por el caudal utilizado. ademas le permite aplicar los conocimientos adquiridos para la caracterizacion de un flujo que puede ser laminar, de transicion o turbulento.

BIBLIOGRAFIA

DUARTE AGUDELO, Carlos Arturo y NIÑO VICENTES, Jose Roberto; Introduccion a la mecánica de fluidos; Universidad Nacional de Colombia (sede Bogota); Facultad de ingeniería; Colección 145 años, Capitulo 6, Pag 2.

MOTT, Robert L.; Mecanica de fluidos; Sexta edición, Editorial Person, Pag 230.

Teorema de Bernoulli

Noviembre del 2015

Fundación Universidad de América

Karent Daniela Tarquino Nieto

Código. 5131648

Informe, Practica de laboratorio N°1

Teorema de Bernoulli

MARCO TEÓRICO

El principio de Bernoulli o también denominado ley de la conservación de la energía del flujo, fue descubierto por Daniel Bernoulli (1700-1782), este afirma que donde la velocidad de un fluido es alta, la presión es baja, y donde la velocidad es baja, la presión es alta.

Cada término de la ecuación de Bernoulli, resulta de dividir una expresión de la energía entre el peso de un elemento del fluido; con lo anterior se puede entender que cada término de esta ecuación es una forma de energía que posee el fluido por unidad de pero del fluido que se mueve en el sistema.

Este principio tan importante cumple con la ley de continuidad por lo tanto, este se puede expresar como:

Donde P es presión en un determinado punto, p la densidad del fluido, v es la velocidad del fluido en determinado punto, g es la gravedad y h se define como altura.

Los fluidos que cumplen con este principio tienen dos características muy importantes, las cuales son:

Son fluidos incompresibles.
Estos fluidos no tienen rozamiento.

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

En el desarrollo de la practica se utilizo un Modulo básico Gunt HM 150 donde se instalo un Modulo HM 150.07., este equipo de ensayo permite demostrar el principio de Bernoulli determinando las presiones en un tubo de Venturi. Este equipo consta de un tubo de Venturi transparente y un tubo de Pitot móvil para medir la presión total. El tubo de Pitot se encuentra dentro del tubo de Venturi y es desplazado axialmente dentro de este. La posición del tubo de Pitot se puede observar a través de la placa transparente frontal del tubo de Venturi.

El tubo de Venturi cuenta con unos puntos estratégicos de medición, que sirvan para determinar las presiones estáticas, estas presiones se observan a través de 6 tubos manométricos y la presión total se mide con el tubo de Pitot.

Modulo HM 150.07

DATOS TOMADOS EN LA PRACTICA

	Punto 1	Punto 2	Punto 3	Punto 4	Punto 5	Punto 6
hestat (mm)	143	136	55	100	111	115
htot (mm)	150	150	150	150	150	150
Area	0,000338	0,000233	0,0000846	0,00017	0,000255	0,000338

CÁLCULOS REQUERIDOS

	Punto 1	Punto 2	Punto 3	Punto 4	Punto 5	Punto 6
hestat (m)	0.143	0.136	0.055	0,100	0,111	0,115
htot (m)	0.150	0.150	0.150	0.150	0.150	0.150

Presiones estáticas

Presión total

Presiones dinámicas

Caudal

Velocidades

GRÁFICAS

Gráfica 1. Representación de las presiones estática, total y dinámica con los datos obtenidos en la practica.

Gráfica 2. Comportamiento teórico de las presiones estática, total y dinámica.

Gráfica 3. Comportamiento de la velocidad a través del tubo de Venturi.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Comparando la gráfica 1. con la gráfica 2., siendo la primera resultado de los datos obtenidos en el laboratorio y la segunda el comportamiento que se espera obtener según el equipo utilizado; se puede observar que las dos gráficas tienen un comportamiento similar mostrando en el punto 3, una caída fuerte de la presión estática y a su vez un aumento en la presión dinámica es ente mismo punto, lo cual se puede explicar debido a que en el punto 3 es donde se encuentra la garganta o la parte de menor diámetro del tubo de Venturi.
En la gráfica 3. se observa un gran pico, el cual representa un aumento importante en la velocidad del sistema, este pico de velocidad es producido en el punto 3 del sistema, esto explica el aumento de la velocidad debido a que en este punto se encuentra la garganta del tubo de Venturi, con esto podemos evidenciar que en la practica se observa claramente la función del tuvo de Venturi demostrando de forma practica que al disminuir el área por donde pasa un fluido este aumenta su velocidad.

CONCLUSIONES

Se demostró prácticamente el principio de Bernoulli con la ayuda de un tubo de Venturi explicando el cambio de presiones y velocidades dependientes del diámetro.
Se observo de forma clara el funcionamiento de un tubo Venturi, el cual se comprobó en la gráfica 3.
El caudal medido durante el desarrollo de la practica no se aleja del teórico, puesto que realizando el análisis correspondiente se obtuvo un error aproximado del 1,92% lo cual garantiza la veracidad de los datos obtenidos durante todo el laboratorio y brinda una información mas clara y real del comportamiento que tiene el fluido al atravesar el tubo Venturi.
se comprobó a través del tubo Venturi que al disminuir el área de la tubería, el fluido que pasa por esta va aumentar su velocidad.

UTILIDAD DE LA PRACTICA
Esta practica brinda a los estudiantes la oportunidad de visualizar el principio de Bernoulli y el funcionamiento de un tubo Venturi de forma sencilla, permitiendo que estos entiendan y puedan aplicar mas fácilmente estos conceptos en su vida profesional, habiendo tenido y observado de forma previa la función y el comportamiento que tiene un fluido a través de una tubería que presenta disminuciones de diámetro en alguna zona, la cual van a poder interpretar y analizar a través del principio de Bernoulli.

BIBLIOGRAFIA

GIANCOLI, Douglas C.; FISICA Principios con aplicaciones; Sexta edición; Editorial Pearson Educaion; Pag 270.
MOTT, Robert L.; Mecanica de fluidos; Sexta edición; Editorial Pearson; Pag 167.
[anonimo] http://www.gunt.de/static/s4239_3.php