LABORATORIO No. 2

PERDIDAS POR FRICCIÓN

PROFESOR

JAIME IZQUIERDO BAUTISTA

CARLOS ENRIQUE COTRINO COD. 2010192101

HENRY ALEXANDER NORZA COD. 2010297431

SEBASTIAN OTALORA BARRIOS COD. 2010297374

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA

INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

MECANICA FLUIDOS

NEIVA - 2012

INTRODUCCIÓN

En la mecánica de fluidos está muy presente el estudio de la interacción de los fluidos con sus contenedores, o elementos en donde su transición es evidente como el apreciado en tuberías. A partir de esto se hace necesario que propiedades físicas presentes en esta interacción sean evaluadas, tales como el rozamiento que se genera entre en fluido y la tubería, la resistencia del fluido a fluir (viscosidad), y el tipo de flujo del fluido (sea turbulento, parcialmente turbulento o laminar), todas estas irreversibilidades genera pérdidas de energía del fluido, la cual se manifiesta en perdida de presión del fluido.

A través de la experimentación se demuestra que en un flujo turbulento: la perdida de cabeza varia directamente con la longitud de la tubería, con casi el cuadrado de la velocidad, siendo de forma similar a razón inversamente proporcional al diámetro, depende de la rugosidad superficial de la pared interior de la tubería, de la densidad y viscosidad del fluido, y es independiente de la presión; además es necesario un factor de fricción f adimensional de tal manera que la relación entre los elementos anteriores y la pérdida de cabeza sea correcta, por tanto f no puede ser constante sino que debe depender de la velocidad, el diámetro, la densidad, la viscosidad y de ciertas características de la rugosidad de la pared de la tubería.

OBJETIVOS

GENERAL

Contextualizar el principio de irreversibilidad que se manifiesta de manera evidente en una red de tuberías.

ESPECIFICOS

Introducir al estudiante en el cálculo de los factores de fricción y longitudes

equivalentes de la perdida de carga en tuberías y accesorios. Familiarizar al estudiante con los principios teóricos de la fricción relativos a un

flujo real. Permitir que el estudiante visualice la perdida de carga en un tramo de tuberías.

MARCO TEÓRICO

Numero de Reynolds: Es un número adimensional el cual es usado para caracterizar las condiciones de flujo de los fluidos, este depende de las propiedades del fluido, de la velocidad de este y del diámetro de la tubería, el numero de Reynolds es definido

como: Re=DVρμ

=DVv

Dónde: D = diámetro interno de la tubería (m)V = velocidad del fluido (m/s)µ = coeficiente de viscosidad dinámica (N*s/m2) ρ = densidad del fluido (kg/m3)v=¿ Coeficiente de viscosidad cinemático (m2/s) agua=1,14*10^-6

Tipos de flujo: Osborne Reynolds estudio sistemáticamente las condiciones bajo las cuales los diferentes tipos de flujo se comportan en una tubería. Reynolds encontró que, a velocidades vahas, las partículas del fluido se mueven en una dirección paralela al eje de la tubería, esto es denominado flujo laminar, a altas velocidades la ruta de las partículas de fluido se vuelven caóticas y se forman remolinos a través de la dirección de flujo, este tipo de flujo es llamado turbulento; los resultados de esos experimentos establecieron el número de Reynolds como un indicador del tipo de flujo esperado para unas condiciones de flujo dadas en la tubería. Para el número de Reynolds hasta 2000, el flujo será siempre laminar, con numero de Reynolds por encima de 2000 el flujo es inestable, la transición a turbulento ocurre entre 2000 y 13000, obviamente más cerca al extremo final de este rango.

Efectos de fricción: Cuando un fluido fluye a través de una tubería, el flujo es retardado por la fricción de este con las paredes y por la fricción interna entre las partículas del fluido en movimiento. Como resultado de la fricción en las paredes, la componente promedio de la velocidad en la dirección del flujo de una partícula de fluido es cero en las paredes. Esta velocidad promedia aumenta con la distancia de la pared al centro, siendo máxima en el centro.

Viscosidad: Es la propiedad del fluido que determina su resistencia al flujo. La viscosidad de un gas bajo ciertas condiciones te temperatura y presión, es mucho

menor que la viscosidad de los líquidos comunes a las mismas condiciones de temperatura y presión.

Líneas de cargas piezométricas y totales: Para el cálculo de la perdida de carga o energía en tubería, se emplea generalmente la ecuación de Darcy-Weisbach:

h f=fLV 2

2Dg

hf = perdida de carga o caída de la línea piezométricaf= coeficiente de pérdida de carga o factor de fricción L= longitud de la tubería en metrosD= diámetro de la tubería en metrosV= velocidad media del flujo en m/sG= gravedad

Todas las cantidades de esta ecuación, excepto f, pueden determinarse experimentalmente: midiendo el caudal y el diámetro interior del tubo, se calcula la velocidad; las pérdidas de energía o de carga se miden con un manómetro diferencial conectado en los extremos de la longitud deseada.

Caudal: Es la cantidad de fluido que avanza por un área dada en una unidad de tiempo, se determina como:

Q=VA

Q es el caudal, V es la velocidad del fluido y A es el área de la sección a través de la cual pasa el fluido.

Ecuación de Colebrook-White:

Es un método ampliamente usado para predecir el factor de fricción para flujo de fluidos monofásicos:

1

√ f=−0.869 ln [ ∈

3.7D+ 2.523

ℜ√ f ]Donde ε es la rugosidad absoluta de la tubería, D el diámetro interno de la tubería y R e es el número de Reynolds para el flujo. La ecuación de Colebrook-White no se puede resolver directamente, ya que el factor de fricción aparece a ambos lados de la igualdad, para estimarla se requiere de un proceso iterativo de ensayo y error.

ANALISIS

Se determino la cantidad de pérdida de carga de dos tuberías, con longitud de 46 cm para cada una y diámetros de 14 mm y 10 mm respectivamente.

Posteriormente se midió el caudal para así determinar la velocidad promedio del fluido en la tubería. Con los datos obtenidos se remplazan las variables en la ecuación de pérdida de carga para despejar el coeficiente de fricción (f). Se realizaron cinco ensayos para cada tubería, todo esto buscando obtener obtener un número suficiente de datos para aproximarnos al valor del coeficiente de fricción de manera experimental.

Los datos obtenidos fueron anexados en la siguiente tabla.

Ensayo h1 (mm) h2 (mm) hf (mm) Q(L/m) Velocidad(m/s)

14mm

1 380 205 175 8 0,866149532 300 155 145 7,5 0,8120151853 235 100 135 6,5 0,7037464934 165 50 115 6 0,6496121485 140 35 105 5,5 0,5954778026 359 240 119 6,9 0,747053977 370 225 145 6,8 0,7362271018 335 185 150 6,7 0,7254002329 260 140 120 6 0,649612148

10 135 55 80 4,8 0,51968971811 380 255 125 7 0,75788083912 340 205 135 6,7 0,72540023213 280 165 115 6 0,64961214814 240 140 100 5,1 0,55217032615 195 105 90 4,8 0,519689718

A partir de las siguientes ecuaciones se completa la tabla.

hf = h1 – h2 V=Q/A

Cálculos de Km

Km=hm×2g

V 12

hm(m) Km Q(m3/s)1 0,175 4,576687962 0,000133332 0,145 4,314581768 0,0001253 0,135 5,348109415 0,000108334 0,115 5,346733873 0,00015 0,105 5,80974604 9,1667E-056 0,119 4,183521531 0,0001157 0,145 5,248599145 0,000113338 0,15 5,592872028 0,000111679 0,12 5,579200563 0,0001

10 0,08 5,811667253 0,0000811 0,125 4,269796349 0,0001166712 0,135 5,033584825 0,0001116713 0,115 5,346733873 0,000114 0,1 6,435064086 0,00008515 0,09 6,538125659 0,00008

0.00007 0.00008 0.00009 0.0001 0.00011 0.00012 0.00013 0.000140

0.020.040.060.08

0.10.120.140.160.18

0.2

Q(m3/seg) vs hm(m)

0.00007 0.00008 0.00009 0.0001 0.00011 0.00012 0.00013 0.000140

1

2

3

4

5

6

7

Q(m3/seg) vs Km

CONCLUSIONES

Los valores experimentales de f difieren en gran medida de sus valores analíticos, esto lo podemos adjudicar en su mayoría a los errores humanos al momento de tomar datos durante el laboratorio, en el cual con facilidad se observa una incongruencia al momento de tomar los datos, en especial los de los caudales.

El tener números de Reynolds relativamente bajos, puede interpretarse como un posible indicador de flujo laminar, pero como no estamos completamente seguros de ello, resulta conveniente hacer caso omiso de esta suposición.

Comparando las pérdidas de carga de la tubería de diámetro 14mm con respecto a la de 10mm, podemos ver la relación inversamente proporcional que existe entre las pérdidas de carga (hf) y el diámetro de la tubería, ya que en la tubería de 14mm de diámetro, las pérdidas de carga fueron menores en comparación con la tubería de 10mm de diámetro.

La pérdida de carga es directamente proporcional a la velocidad del fluido en la tubería.

BIBLIOGRAFÍA

STREETER, Victor; WYLIE, Benjamin; BEDFORD, Keith. MECANICA DE FLUIDOS. 9 ed. Editorial Mc Graw Hill. 2000. 741p.

OLAYA MARIN, Guiber. CALCULO DE TUBERIAS Y REDES DE GAS: Modulo 1. 2000. 87p.

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