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8/12/2019 Reporte 1 Perdidas de Cabezal
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Laboratorio de Mecnica de Fluidos II
Perdidas por friccin en tuberas conectadas en serie y en
paralelo
Tacuri Montao Javier Alexander
Facultad de Ingeniera en Mecnica y Ciencias de la Produccin
(FIMCP)Escuela Superior Politcnica del Litoral (ESPOL)
Guayaquil - Ecuador
[email protected]
Resumen
En este documento se evidencian los procesos seguidos para
comprobar que las tuberas
conectadas en serie y en paralelo, pueden ser modeladas por
teoras ya establecidas, las cuales
se detallan en la introduccin, la prctica refuerza el contenido
de cadas de cabezal revisado enel curso de mecnica de fluidos II,
todo lo realizado sucede en un equipo especializado para la
experimentacin, un circuito hidrulico, que se puede configurar
para obtener tuberas en serie y
en paralelo. Adems de obtener las configuraciones, nos permite
medir las cadas de cabezal,
mediante un manmetro multi-tubular, con estas mediciones es
posible realizar anlisis
mediante la teora de las tuberas, que nos permite comprobar si
dichas teoras predicen lo que
sucede en realidad en los sistemas de tuberas.
Palabras Clave:tuberas en serie, tuberas en paralelo, cadas de
cabezal, circuito hidrulico.
Abstract
In this document will demonstrate the processes used to ensure
that the pipes connected in series
and in parallel, can be modeled by established theories, which
are detailed in the introduction,
the practice reinforces the content of revised head falls during
fluid mechanics II, made
everything happens in specialized equipment for experimentation,
a hydraulic circuit that can be
configured for pipes in series and in parallel. Besides
obtaining the configurations, allows us to
measure head falls through a multi-tube manometer, with these
measurements may be
performed using pipe theory, which allows us to test whether
these theories predict what
actually happens in the piping systems.
Keywords:pipes in series, pipes in parallel, head drops,
hydraulic circuit.
Introduccin
Esta prctica se ha diseado con el fin de
permitir a los estudiantes de Ingeniera
Mecnica visualizar los efectos reales de las
cadas de cabezal en las tuberas.
Principalmente la prctica se enfoca:
Comparar las perdidas por friccin en
tuberas conectadas en serie y en
paralelo.
Comprobar los resultados
experimentales, utilizando el anlisis
terico con la ayuda del diagrama de
Moody.
Segn la teora que respalda todo estefenmenos, las prdidas de
cabezal se
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producen por la friccin del fluido adicional
a la rugosidad de la tubera, en un fluido
turbulento, y solo por la friccin en los
laminares. Luego de esto bsico sobre
cualquier fluido y tubera, tambin se
presentan prdidas de cabezal en los
instrumentos utilizados en las tuberas,
estas son las conocidas perdidas menores,
los instrumentos nos permiten crear redes
de tuberas, configurando las tuberas de
diferentes formas. Las formas ms bsicas
de arreglos de tuberas son las de serie,
paralelo, con estas dos formas bsicas de
arreglo, se puede obtener toda clase de
redes de tuberas. Es esencial que
conozcamos algunos conceptos, y como se
calculan las prdidas de cabezal.
Tuberas en serie.-Las tuberas en serie se
caracterizan por mantener las siguientes
propiedades:
=1 =2 = =
=1 + 2 + +
Tuberas en paralelo.- Las tuberas en
paralelo se caracterizan por mantener lassiguientes
propiedades:
=1 + 2 + +
=1 =2 = =
Las prdidas de cabezal se calculan
mediante la siguiente expresin:
=
2
2
Donde se calcula dependiendo de qu
fluido se transporte:
= 64
Para flujo laminar
=(, ) Del diagrama de Moody,
para flujo turbulento.
Las prdidas de instrumentos se calculan
utilizando otra expresin.
=2
2
Donde K es dada por el fabricante del
instrumento.
En la prctica tambin se utiliza un medidor
de caudal, con la interrupcin del flujo, esta
interrupcin ocasiona un cambio crtico de
la presin que nos ayuda a determinar la
variacin de la velocidad, y por lo tanto a
determinar el caudal de la tubera, como
tambin se ocasionan perdidas por el
instrumento, se utilizan las curvas de
calibracin dadas por el fabricante, curvas
experimentales que incluyen todas estas
dichas perdidas.
Equipos e Instrumentacin
Para la prctica utilizamos un dispositivo
prediseado, denominado Circuito
Hidrulico, de marca TECHNOVATE,
con nmero de serie 90377303, modelo
9009, con un cdigo interno en ESPOL
numero 02688. Este equipo cuenta con un
regulador de caudal, que se entrega al
circuito, mediante la graduacin de la
bomba centrifuga con la que cuenta. Es un
circuito cerrado de 4 tuberas de 1, , y 3/8, las tomas de
medicin de cadas de
cabezal son posible por 3 puntos de
medicin presentes en todas las tuberas,
una al inicio, otra a 2 ft y la otra a 5 ft de la
primera. Existe una tubera principal que
tiene un medidor de caudal, una placa
orificio, que tiene su propia curva de
calibracin. El equipo cuenta con dos
manmetros, el uno nos permite medir elcaudal de las tuberas, el
otro nos permite
medir las prdidas de cabezal, las
manguerillas del caudal son fijas, pero las
de la tubera se mueven para poder tomar
mediciones en las 4 tuberas presentes en el
circuito. Ver anexo 1 se presentan
fotografas del equipo utilizado.
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Procedimiento Experimental
Antes de iniciar es necesario que se cierren
algunas vlvulas de manera que se obtenga
la configuracin deseada, ver anexo 1. Esun proceso repetitivo
que nos permite tomar
las mismas mediciones una y otra vez,
dependiendo del caudal con el que se est
trabajando. A medida de secuencia para
cada uno de los caudales que se tomaran
mediciones, es necesario al inicio medir el
caudal que fluye por la tubera principal,
una vez obtenido el caudal deseado, se
procede a observar que posicin tienen las
manguerillas mviles, si la posicin nos
otorga una medicin deseada la tomamos,
caso contrario, las movemos a la tubera
superior, una al inicio y la otra al final (5 ft
de separacin), en cada cambio de tubera
es importante, evitar las filtraciones de aire,
por esta razn se debe aplastar la
manguerilla, doblarla antes de cerrar la
vlvula correspondiente, luego se la
desprende de la vlvula con cuidado de nodaar la vlvula, y se
transporta hacia la
otra, mantenindola doblada, se abre la
vlvula en la que se desea colocar la
manguerilla, se deja semi-abierta que
empieza a caer agua, y en ese momento
colocamos la manguerilla, y as se evitan
las filtraciones de aire perjudiciales,
tomamos la medicin la superior es una
configuracin en serie, de 1 de dimetro, yla registramos en la
tabla de datos,
cambiamos a la siguiente tubera en serie la
de y registramos la medicin, luego
entre los dos puntos que nos den el mayor
recorrido con respecto a la circulacin del
flujo, una manguerilla en la de 1 y la otra
en la , luego pasamos a la medicin del
tramo en paralelo, de igual manera
colocamos las manguerilla en las tuberas
primero de y luego en la de 3/8 y luego
de la misma manera buscamos los puntos
que le den el mayor recorrido al flujo, y
colocamos una manguerilla en la de y
en la de 3/8. Registramos todas las
mediciones. Al final cambiamos el caudal y
repetimos los cambios de una forma en
viceversa a la llevada en el paso anterior,
para evitar cambios de manguerillas extras.
Realizar todas las mediciones
correspondientes para 5 caudales diferentes
seleccionados.
Resultados
Para esta prctica los resultados obtenidos
se grafican en dos grficas, la de las
tuberas en serie, y la de las tuberas en
paralelo. Los grficos cuentan con 2 lneas,
la de una tubera y la de la otra, son del
tipo, Vs. . Revisar el anexo 2, en ella
se encuentran los clculos realizados para
obtener las grficas descritas, revisar el
anexo 3, para observar las grficas
obtenidas.
Anlisis de los Resultados
Observando las grficas en el anexo 3,
especialmente la del sistema de tuberas en
paralelo, grafica 2, se observa una ligera
desviacin entre la una y la otra tubera, en
teora, estas dos deberan tener exactamente
las mismas perdidas, ahora cual debera ser
la razn de la falla, observando la fotografa
del circuito hidrulico, se observa que para
el sistema en paralelo la tubera de 3/8 no
pasa por ningn instrumento, mientras que
el flujo de la tubera de pasa por una
vlvula, a pesar de estar abierta ofrece
cierto bajn en el cabezal, entonces las
perdidas en la tubera de deberan ser
ms altas que las de 3/8, mirando el detalle
en la tabla 5, del anexo 3, elcomportamiento es contrario al
previsto, es
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evidente entonces que como la tubera tiene
un dispositivo de divisin de caudal con
mayor dimetro al inicio, su dimetro no es
, entonces la divisin del caudal se
realiza de manera errnea, y deja pasar
mucho ms por la tubera de 3/8, entonces
se obtienen las lecturas ligeramente
diferentes, adems de esto se debe
considerar las prdidas de cabezal en la
toma de medicin, en las vlvulas para
colocar las manguerillas, estas vlvulas
dejan caer flujo a pesar de estar con una
conexin correcta, se tom otro dato el dato
de la comparacin entre la una y la otra, se
observa en la tabla 5, anexo 3, que la resta
de los cabezales da aproximadamente igual
a los valores obtenidos experimentalmente,
evidenciando una prdida constante de
cabezal, al inicio antes de ingresar a la
tubera de de dimetro. En la grfica 1,
la de las tuberas en serie, no se hace muy
evidente los errores experimentales, la lnea
de tendencia es la que se esperaba, est
separada indicando que las prdidas decabezal no son iguales,
segn las leyes que
rigen estos sistemas de tuberas, pero
entrando en detalle y analizando los datos
tomados, observando la tabla 4, anexo 3, se
observa una marcada diferencia entre las
cadas de cabezal de una tubera con
respecto a la otra, como se observa a simple
vista, las de la tubera de tiene mayores
prdidas que la de 1, analizando las
prdidas de cabezal la de una dimetro ()
con respecto al otro (1), se tiene que la
relacin entre los dos dimetros a la 5, ver
anexo 3, si es menor a uno se cumple
tericamente que las prdidas del tubo de
son mayores a las de 1, esta relacin se
cumple, es decir los resultados
experimentales evidencian los resultados
tericos, pero debemos realizar otro
anlisis, el del dato extra que se tom, estamedida es la suma de
las prdidas de
cabezal de todas las 2 tuberas en serie,
comparando con el resultado experimental
tomado en cada una de las mediciones,
tenemos que las experimentales tomadas
directamente son mayores a las suma de las
prdidas de los cabezales de cada tubera en
serie, ahora observando la fig. 1, del anexo
1, el circuito hidrulico, la parte en serie,
recorrida por el flujo, tiene en su recorrido
3 instrumentos, una T, una vlvula, y un
codo, es decir la diferencia da las prdidas
de cabezal de estos instrumentos usados en
la red, es decir es justamente los resultados
esperados por anlisis.
Conclusiones y
Recomendaciones
Una vez finalizada la prctica, observamos
que las perdidas obtenidas en la prctica
tanto en sistemas de tuberas en serie, y en
paralelo, cumplen con los anlisis tericos
realizados, es decir se comprob
experimentalmente, la teora que respalda a
los sistemas de tuberas en serie y en
paralelo. Las ligeras variaciones se explican
con las perdidas menores no incluidas en
las mediciones. Todos los flujos fueron
turbulentos, no fue posible realizar un
anlisis con el diagrama de Moody, debido
a que se desconoce el material utilizado en
las tuberas del circuito. Es sumamente
importante, realizar los cambios demanguerilla de una manera
cuidadosa, para
evitar filtraciones de aire, evitar en lo
posible las perdidas, por haber colocado de
forma incorrecta la manguerilla.
Referencias Bibliogrficas/
Fuentes de Informacin
Gua de la prctica de friccin en
tuberas en serie y paralelo, mecnica defluidos II/ II trmino
2013-2014.
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Anexo 2 Clculos Realizados
Luego de tomar las mediciones experimentales es necesario
convertir las mediciones en las
unidades respectivas utilizando la curva de calibracin para la
placa orificio, que se observa a
continuacin:
Luego de obtener estos datos concernientes, se procede a
realizar algunos clculos secuenciales,
y repetitivos, utilizando las siguientes formulas:
=4
2 =
Suponemos que el agua que utilizamos se encontraba a una
temperatura de 25C, entonces su
viscosidad cinemtica segn las tablas ser:
= 1,052 105 2
Al aplicar la curva de calibracin, se obtienen:
Tabla 1 Conversin del caudal medido en la placa orificio.
(in H2O) (gl/h) (ft3/s)
13,375 300 0,011
11,125 270 0,010
8,500 245 0,009
6,000 200 0,007
4,375 180 0,006
Aplicando las formulas, se logra obtener las siguientes tablas,
para los sistemas de tuberas,
considerando que:
1 = 1 2 = 3 4 3 = 1 2 4 = 3 8
Tabla 2 Resultados obtenidos para las tuberas en serie.
(ft3/s) (ft/s) (ft/s)
0,011 2,042 3,631 16177,9 21570,5
0,010 1,838 3,268 14560,1 19413,5
0,009 1,668 2,965 13211,9 17615,9
0,007 1,362 2,420 10785,3 14380,30,006 1,225 2,178 9706,7
12942,3
0
10
20
30
40
50
60
70
0 100 200 300 400 500 600 700
pulg.agua
GPH
PERDIDAS DE CABEZAL CIRCUITO HIDRAULICO
PLACA ORIFICIO
5/8" DIAMETRO
CAUDAL
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Registrando los datos experimentales de la prctica, tenemos:
Tabla 3Datos experimentales de los cabezales en las tuberas en
serie.
(ft3/s) (in) (in) (in) +
0,011 2,000 6,625 11,250 8,625
0,010 1,750 5,500 9,125 7,250
0,009 1,250 4,125 7,000 5,375
0,007 0,875 3,000 5,125 3,875
0,006 0,125 2,250 3,875 2,375
Tabla 4Datos experimentales de los cabezales en las tuberas en
paralelo.
(ft3/s) (in) (in) (in)
0,011 17,125 20,000 2,250 2,875
0,010 13,250 16,000 1,375 2,750
0,009 10,375 12,125 0,750 1,750
0,007 7,875 9,375 0,875 1,500
0,006 6,000 7,125 3,875 1,125
El clculo del cabezal terico es algo que no se puede realizar,
porque no tenemos la rugosidad,
se desconoce el material con el que se realiz el circuito de
tuberas.
Comparando las prdidas de cabezal de 2 tuberas cualquiera en
serie:
1
2=
1
162
2214
2
162
2224
=2
5
15
2
5
15
< 1 1
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Grfica 2 Hfvs. Q del sistema de tuberas en paralelo
0
1
2
3
4
5
6
7
0 50 100 150 200 250 300 350
Hf
(in)
Q (gl/h)
Hfvs. Q
1 in
3/4 in
0
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200 250 300 350
Hf
(in)
Q (gl/h)
Hfvs. Q
1/2 in
3/8 in
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