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Laboratorio 1: "Perdida de carga en tuberas"
1 Descripcin del equipo
El equipo HM 150.29 sirve para el estudio de las prdidas de
presin en codos,
empalmes y vlvulas, as como en estrangulaciones y
ampliaciones.
El tramo de medicin consta de un sistema de tubos con diferentes
empalmes, una
vlvula de bola, una ampliacin y una estrangulacin. El caudal se
puede variar con la
vlvula de bola. El equipo cuenta con un manmetro de 6 tubitos y
un manmetro de tubo
elstico para determinar las presiones relativas individuales.
Las cmaras de medicin
anulares estn montadas en el sistema de tubos para que la
diferencia de presin se
pueda medir en todos los objetos pertinentes.
El suministro de agua tiene lugar mediante el HM 150 Mdulo bsico
para
hidrodinmica o a travs de la red del laboratorio. El HM 150
Mdulo bsico para
hidrodinmica permite crear un circuito de agua cerrado. La
figura 1.1 muestra un
esquema del equipo experimental.
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Laboratorio 1: "Perdida de carga en tuberas"
1. Armazn base con pared trasera
2. Racor de manguera para entrada de
agua
3. Racor de manguera para salida de
agua
4. Codo de tubo
5. Tubo acodado
6. Cuadrante de tubo estrecho
7. Cuadrante de tubo ancho
8. Estrangulacin
9. Ampliacin
10. Vlvula de bola
11. Manmetro de 6 tubitos
12. Manmetro de tubo elstico
13. Cmara anular con tubuladura de
medicin
14. Tubo de PVC con acoplamiento
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2 Fundamentos
Cuando se considera el flujo como no ideal, es decir, existe
roce entre las paredes de la
tubera y el flujo, adems, se modifica la seccin transversal y
las velocidades asociadas, se
genera una prdida de presin total que debe considerarse en el
balance de energa de
Bernoulli. La ecuacin de Bernoulli considerando las prdida
es:
2 2
1 21 1 2 2
2 2v
v vp gz p gz p
Siempre que las elevaciones Z1 y Z2 sean iguales, de aqu se
deriva la prdida de
presin total mensurable:
El nivel de prdida es:
La perdida de presin total o el nivel de prdida considera la
perdida regular (Mayor) y singular (Menor), las formas de estimar
cada tipo de perdida se detallan a continuacin:
2.1 Prdidas Regulares para flujos en tuberas
En el caso de flujo turbulento, cuando el nmero adimensional de
Reynold, Re>2100, la
prdida de presin por friccin es proporcional a:
La longitud (l) de la tubera
El coeficiente de friccin de la tubera ()
La densidad () del Fluido
La velocidad de fluijo (v).
Adems, la prdida de presin (pv) aumenta a medida que disminuye
el dimetro (D) de la
tubera. La que se estima como:
2
2v
lp v
D
El nivel de prdida hv correspondiente se calcula:
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2
2v
l vh
D g
Si el flujo es turbulento (Re>2100), el coeficiente de
friccin de la tubera depende de la
rugosidad de la tubera () y del nmero Re. La rugosidad de la
tubera (), indica la altura
de las elevaciones (aspereza) en mm. La relacin entre Re, y
aparece representada en
el diagrama segn Moody. En este caso, la rugosidad de la pared
esta
adimensionalizada por el dimetro de la tubera D.
El nmero de Reynold, Re se calcula a partir del dimetro de la
tubera D, la velocidad del
flujo v y la viscosidad cinemtica .
RevD
La viscosidad cinemtica del agua se puede obtener desde tablas
en funcin de la
temperatura, o asumir el valor para 20 C de 1x10-6 m2/s.
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La velocidad del flujo v se calcula a partir del caudal Q y el
dimetro de la tubera D.
2
4Qv
D
El coeficiente de friccin puede ser estimado tambin por la
ecuacin de Colebrook
2
2,512log
3,71Re D
Se trata de una frmula implcita que se debe resolver
iterativamente. Primero se supone
, se emplea la frmula y se calcula una primera aproximacin. Esta
aproximacin se
vuelve a utilizar en la ecuacin para calcular una segunda
aproximacin, hasta alcanzar el
error deseado.
Cuando el valor estimado se toma del baco de Moody, la primera
aproximacin suele ser
lo suficientemente precisa y los valores empiezan a
diferenciarse a partir del tercer
decimal.
2.2 Perdidas singulares para flujos en tuberas Algunos elementos
y complementos especiales de las tuberas, como cuadrantes de tubo
o
codos, ramificaciones de tubos, modificaciones de la seccin
transversal o incluso vlvulas
generan prdidas de presin adicionales adems de las prdidas por
friccin de la pared.
Salvo algunos casos excepcionales, las perdidas singulares en el
flujo no se pueden
calcular del todo, a diferencia de las prdidas por friccin de la
pared estudiadas en el
apartado anterior.
En la literatura se indican coeficientes de friccin calculados
empricamente para los
distintos elementos. stos permiten calcular fcilmente las
prdidas de presin
adicionales:
Las resistencias por friccin de la tubera de una pieza se deben
determinar por separado
antes y despus de modificar la seccin transversal. En cambio, el
coeficiente de
resistencia slo hace referencia a la velocidad V2 una vez
modificada la seccin
transversal.
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2.2.1 Codo
En el caso de los codos, existe una dependencia entre el
coeficiente de resistencia , el ngulo del cambio de flujo
y la relacin entre el radio del codo y el dimetro de la
tubera. Adems, el coeficiente de resistencia depende
de la forma del codo. Para este caso especial, un codo
de tubo con una desviacin de 90, el diagrama siguiente
es vlido tanto para tuberas lisas como rugosos.
En el caso de tubos acodados, es decir, radios de codo
inferiores al dimetro del tubo
(R/D
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En el caso de la ampliacin,
En el caso de estrechamiento,
Siendo Ao y do la seccin transversal contrada. Dado
que no se suele conocer, en el caso de los
estrechamientos se toma el coeficiente de resistencia
del diagrama siguiente.
En el ensayo siguiente se estudian la ampliacin y el
estrechamiento en el tramo de
medicin. El nivel de prdida hv siempre se mide en mm mediante un
elemento. Para los
valores de medicin se debe usar un caudal constante
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3 Realizacin de ensayos
Las descripciones siguientes sobre realizacin de ensayos
efectuados y sobre los
ensayos a realizar posteriormente en el captulo 5 se basan en el
Mdulo bsico para
hidrodinmica HM 150.
Colocar el equipo de ensayo en el HM 150 Mdulo bsico para
hidrodinmica.
Conectar HM 150 Y el equipo con tubos de entrada y salida.
Cerrar todas las vlvulas de bola, del mdulo bsico y del equipo
de ensayo.
Conectar el manmetro a los puntos de medicin deseados.
Conectar la bomba y abrir lentamente la vlvula de bola del HM
150.
Abrir poco a poco la vlvula de bola del HM 150.59 Y purgar el
aire del
manmetro.
Ajustar simultneamente la vlvula de purga de aire y la de salida
en el
manmetro de 6 tubitos para regular el nivel de agua de forma que
las columnas
de agua se encuentren en el rea de medicin.
Determinar el caudal. Para ello se debe detener el tiempo t,
necesario para llenar
el depsito volumtrico de HM 150 de 10 a 20 o 30 litros. Para
ello hay que cerrar
la salida bajo el depsito.
3.1 Panel del manmetro de 6 tubitos
El panel del manmetro de 6 tubitos se compone de 6
tubitos de nivel de vidrio con una escala en mm.
El panel del manmetro de 6 tubitos se compone
de 6 tubitos de nivel de vidrio con una escala en el rea
de medicin de 300 mmWS = 30 mbar.
Todos los tubitos de nivel estn conectados entre
s por su extremo superior y tienen una vlvula de purga
comn.
Cuando la vlvula de purga est cerrada, se mide
la presin diferencial; cuando est abierta, se mide la
presin absoluta.
Los puntos de medicin se conectan a los
extremos inferiores de los tubitos de nivel mediante
acoplamientos rpidos de tubo.
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3.2 Medicin de la presin diferencial
La vlvula de purga est cerrada. Las dos columnas de
agua crean un cojn de aire con una presin Lp . Entonces,
para las presiones P1 y P2 que se deben medir,
1 1Lp p h g
2 2Lp p h g
La presin diferencial en este caso es de:
La presin PL se elimina, lo que da lugar a:
Mediante la presin Lp se puede ajustar el punto cero para la
medicin de la presin
diferencial.
Para lograr un margen de medicin mximo, se precisa que el punto
cero o valor medio
encuentre en el centro de la escala de medicin
3.3 Medicin de la presin absoluta
Para medir la presin absoluta, la vlvula de purga
debe estar abierta y la presin Lp debe corresponder a
la presin atmosfrica po.
Tambin se debe tener en cuenta la altura hm entre el
punto de medicin y el punto cero del manmetro.
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3.4 Conexin del manmetro y manejo
La purga de aire y el manejo del manmetro de 6 tubitos requiere
cierta prctica y
experiencia con el equipo de prcticas HM 150. Tambin se debe
tener en cuenta que
slo hay que conectar entre s objetos con la misma rea de
medicin.
3.4.1 Purga de aire
Conectar el manmetro a los empalmes que se deban medir mediante
tubos
flexibles de unin.
Abrir la vlvula de purga y purgar el aire de los tramos de tubo
y los tubos flexibles
de unin con una corriente de agua fuerte.
Cuando no queden burbujas de aire en los tubos flexibles de
unin:
Cerrar la vlvula de purga superior.
Cerrar la vlvula de salida inferior.
Cerrar la vlvula de bola del mdulo bsico HM 150.
Desconectar la bomba.
3.4.2 Ajuste de posicin cero
Abrir poco a poco la vlvula de bola del mdulo bsico HM 150 Y
ajustar el
margen mximo con las vlvulas y las vlvulas de bola.
Cerrar la vlvula de purga y las vlvulas de bola.
Volver a conectar la bomba e iniciar las mediciones mientras las
vlvulas de bola
se abren poco a poco.
Atencin! La vlvula de purga slo permite subir el nivel.
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4 Datos tcnicos
4.1 Dimensiones principales del equipo de prcticas
Largo 875 mm
Ancho 0,640 mm
Alto 900 mm
Peso 25 kg
Dimetro tubera 17 mm
Rugosidad (PVC) 0,001mm
Rugosidad Acero Galvanizado 0,100 mm
4.2 Componentes
Manmetro de 6 tubitos para medir la presin diferencial
Rango de medicin: a 0,03 bares / a 300 mmWs
Manmetro de tubo elstico, Rango de medicin: a 0,6 bares / a
6.000 mmWs
11 cmaras anulares con tubuladura de medicin
Estrechamiento irregular, PVC, d = 17 mm, con d = 9,6 mm
Ampliacin irregular, PVC, d = 9,6 mm con d = 17 mm
Codo de tubo de 90, d = 17 mm
ngulo de 90, d = 17 mm
Arco de 90, d = 17 mm, R = 40 mm
Arco de 90, d = 17 mm, R = 100mm
Vlvula de bola, d = 17 mm
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5 Ensayos
Estime experimentalmente el coeficiente de friccin y comprelo
con lo obtenido
tericamente (calcule el error asociado), para ello es necesario
que realice
mediciones de la perdida de presin en un tramo recto, el caudal
y la longitud de la
tubera.
Estime experimentalmente el coeficiente de prdida singular para
los codos, el
estrechamiento y ampliacin presentes en el circuito, estime el
valor terico y
calcule el error asociado.
Los resultados de medicin detallados no se deben entender como
valores indicativos o
de calibracin vlidos en todas las circunstancias. Segn la versin
de los componentes y
de la perspectiva tcnica del ensayo, cuando se efecten
experimentos propios puede
haber desviaciones considerables, debe expresar claramente en
sus conclusiones cuando
los resultados sean muy diferentes al valor terico e indique
todas las fuentes de error
asociadas al clculo experimental.
Debe entregar un informe escrito que contengan los captulos
mnimos de un informe de
laboratorio, es decir, introduccin, marco terico, metodologa,
datos experimentales y
resultados, adems de una conclusin, discusin y referencias. El
informe es grupal y se
debe entregar IMPRESO el Jueves 12 de Junio al comienzo de la
clase.
