práctica 6 caídas de presión en tuberías, accesorios y válvulas

1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

PRÁCTICA #6

“Caídas de Presión en Tuberías, Accesorios y Válvulas”

OBJETIVO GENERAL:

Determinar experimentalmente la caída de presión en diferentes tuberías, accesorios y

válvulas utilizando la Mesa para Hidrodinámica Gunt HM 112 para comprobar lo

aprendido teóricamente.

Objetivos Específicos:

- Aprender a utilizar la Mesa para Hidrodinámica Gunt HM 112.

- Obtener valores de caída de presión para tuberías, accesorios y válvulas

modificando el caudal en la Mesa para Hidrodinámica.

- Calcular experimentalmente los valores de caída de presión.

- Comparar los resultados obtenidos de forma teórica y experimental.

- Capturar evidencia visual del experimento.

MARCO TEÓRICO:

Tubos y tuberías.

Los fluidos se transportan generalmente por el interior de tubos o tuberías de sección

circular, que existen en una amplia variedad de tamaño, espesor de pared y materiales de

construcción. No existe una clara distinción entre los términos tubería y tubo. En general,

las tuberías tienen pared gruesa, diámetro relativamente grande y se construyen en

longitudes moderadas, comprendidas entre 6 y 12 metros. Los tubos son de pared delgada

y generalmente se venden en forma de rollos de muchos metros de longitud. Los tubos

metálicos se pueden roscar, mientras que las tuberías no. Las paredes de las tuberías son

generalmente rugosas y, en cambio, los tubos tienen

paredes muy lisas. Los tramos de tuberías se pueden unir

por bridas o mediante accesorios soldados; las piezas de

tubos se unen generalmente mediante accesorios. Por

último, los tubos se fabrican por extrusión o laminación

en frío, mientras que las tuberías metálicas se fabrican por

soldadura o moldeo.

Los tubos y tuberías se clasifican en función de su

diámetro y del espesor de pared. El tamaño óptimo de

tubería, para un caso determinado, depende de los costes

relativos de instalación, de la potencia, mantenimiento y

de las tuberías y accesorios de repuesto.

- Tuberías de acero.

Es frecuente construir con tuberías de acero las líneas de propósito general.

- Tubos de acero.

Se utiliza tubos estándar de acero en sistemas de fluidos de potencia, condensadores,

intercambiadores de calor, sistemas de combustible de motores y sistemas industriales de

procesamiento de fluidos. - Tubos de cobre.

Hay diferentes tubos de cobre y la selección de uno depende de la aplicación, de consideraciones

ambientales, presión del fluido y las propiedades de éste. Entre los más comunes:

1. Tipo K: se emplea para el servicio con agua, combustibles, gas natural y aire comprimido.

2. Tipo L. similar al tipo K, pero con un espesor de pared menor.

3. Tipo M: similar a los tipos K y L, pero con espesor de pared más pequeño; es preferible

para la mayoría de servicios hidráulicos y aplicaciones de calor a presiones moderadas.

Figura 1 Tuberías flexibles.


4. Tipo DWV: se utiliza en drenaje, desechos y ventilación en sistemas de plomería.

5. Tipo ACR: acondicionamiento de aire, refrigeración, gas natural, gas licuado de petróleo

(LP) y aire comprimido.

6. Tipo OXY/MED: se emplea para la distribución de oxígeno o gases medicinales, aire

comprimido en la medicina y aplicaciones de vacío. Hay disponibles tamaños similares

a los tipos K y L, pero con procesamiento especial para tener una limpieza mayor.

- Tubos de hierro dúctil.

Es frecuente que las líneas para agua, gas y drenaje estén hechas de tubo de fierro dúctil, debido

a la relativa resistencia, ductilidad y facilidad de manejo de este material. En muchas aplicaciones

a reemplazado al hierro fundido.

- Tuberías y tubos de plástico.

Utilizamos tuberías y tubos de plástico en una variedad amplia de aplicaciones donde tienen

ventajas por su peso ligero, facilidad de instalación, resistencia a la corrosión y a los productos

químicos, y características de flujo muy buenas. Como ejemplos tenemos la distribución de agua

y gas, drenaje y aguas residuales, producción de petróleo y gas, irrigación, minería y muchas

aplicaciones industriales. También utilizamos variedades de plástico como el polietileno (PE),

polietileno trenzado (PEX), poliamida (PA), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC),

cloruro de polivinilo clorado (CPVC), polivinilo fluorado (PVDF), vinilo y nylon.

Accesorios.

Los cambios de dirección de los sistemas de

tuberías requieren curvas y codos. El flujo en las

curvas y en los codos es más turbulento que en las

tuberías rectas, por lo que aumentan la corrosión y

la erosión. Esto se puede contrarrestar al escoger

un componente con mayor radio de curvatura,

pared más gruesa o un contorno interior más liso;

pero raramente resulta económico en los codos a

inglete.

Válvulas.

En un proceso, se emplean un gran número de válvulas, de tamaños y formas muy

diferentes. A pesar de la amplia variedad de diseños, todas tienen un fin principal que es

común: disminuir o detener el flujo de un fluido. Algunas válvulas son del tipo «todo o

nada», es decir, funcionan abriendo o cerrando totalmente, otras se diseñan de forma que

pueden ser reguladas, reduciendo así la presión y la velocidad de flujo del fluido. Existen

aún otras, que permiten el flujo solamente en una dirección, o en ciertas condiciones de

temperatura y presión. Una trampa de vapor, que es

una forma especial de válvula, permite el paso a

través de ella de algunos fluidos, mientras que retiene

a otros. Finalmente, por medio de ciertos

dispositivos, pueden fabricarse válvulas para

controlar la temperatura, presión, nivel de líquido u

otras propiedades de un fluido en un punto alejado de

la válvula. No obstante, en todos los casos las

válvulas inicialmente detienen o controlan el flujo.

Esto se realiza colocando un obstáculo en la

trayectoria del fluido, el cual puede moverse a voluntad dentro de la tubería, sin que

prácticamente existan fugas del fluido hacia el exterior de la misma. Donde la resistencia

al flujo que provoca una válvula abierta sea pequeña, el obstáculo y la abertura que ha de

cerrarse han de ser grandes. Para el control preciso de la velocidad de flujo, lo cual se

consigue a costa de una gran caída de presión, se reduce grandemente el área de la sección

Figura 2 Accesorios.

Figura 3 Trampa de Sedimentos.


transversal de la conducción, de forma que pueda introducirse un pequeño obstáculo

dentro de la sección reducida.

Las válvulas sirven no sólo para regular el flujo de fluidos, sino también para aislar

equipos o tuberías para el mantenimiento, sin interrumpir otras unidades conectadas. El

diseño de la válvula deberá evitar que los cambios de presión y temperatura y las

deformaciones de las tuberías conectadas, distorsionen o establezcan una mala alineación

en las superficies de sellado. Éstas últimas deberán ser de material y diseño tales que la

válvula permanezca hermética durante un periodo de servicio razonable.

Válvulas de compuerta. Estas válvulas se diseñan en dos tipos. La compuerta de

cuña, del tipo de asiento inclinado, es la que más se utiliza. La compuerta de cuña suele

ser sólida pero es posible que sea también flexible (cortada parcialmente en mitades por

un plano en ángulo recto con la tubería) o dividida

(cortada completamente por ese plano). Las cuñas

flexibles y divididas minimizan el raspado de la

superficie de sellado, al distorsionarse con mayor

facilidad para coincidir con los asientos de mala

alineación angular. Se utilizan válvulas de compuerta

para minimizar las caídas de presión en la posición

abierta y para detener el flujo de fluido más que para

regularlo cuando la válvula se encuentra cerrada.

Válvulas de diafragma. Estas válvulas se

limitan a presiones aproximadamente de 50lbf/in2.

Estas válvulas son excelentes para los fluidos que

contienen sólidos suspendidos y se pueden instalar

en cualquier posición. Existen modelos en los que la

cortina es muy baja, reduciendo la caída de presión a

una cantidad desdeñable y permitiendo el drenaje se

puede obtener cualquier modelo mediante la

instalación con el vástago horizontal. El único

mantenimiento que se requiere es el reemplazo del

diafragma, que se puede hacer con rapidez, sin retirar

la válvula de la línea.

Válvulas de bola. Estas válvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plástico. Puesto que el elemento sellador es una bola, su

alineación con el eje del vástago no es esencial para el cierre hermético. La diferencial de

presión a través de la válvula obliga a la bola en posición cerrada a oprimirse contra el

asiento de corriente abajo y éste último contra el cuerpo. En una válvula de bola, el

elemento de cierre es esférico y los problemas de alineamiento y congelación del material

son menores que con una válvula de pistón. Tanto en las válvulas de bola como en las de

pistón el área de contacto entre el elemento móvil y el asiento es grande y además ambas

pueden ser utilizadas como válvulas de regulación. Ocasionalmente las válvulas de bola

tienen aplicaciones en control de flujo.

Figura 4 Válvula de Asiento Inclinado.

Figura 5 Válvula de Diafragma.


Figura 6 Válvula de Bola. Figura 7 Válvula de Retención de Bola.

Válvulas de retención. Una válvula de retención permite el flujo solamente en una

dirección. Se abre debido a la presión del fluido que circula en una determinada dirección;

cuando se detiene el flujo o tiende a invertirse, la válvula cierra automáticamente por

gravedad o por medio de un resorte que hace presión sobre el disco. Los tipos corrientes

de válvulas de retención se representan en la Figura 8. El disco móvil está señalado en

negro.

Figura 8 Válvulas de retención: (a) Por elevación. (b) De bola. (c) De bisagra.

Fricción.

La fricción se refiere a la omnipresente resistencia al movimiento que se da cuando dos

materiales o medios están en contacto. Esta resistencia existe con todos los tipos de

medios-sólidos, líquidos y gases- y se caracteriza como fuerza de fricción. La fricción se

manifiesta por la desaparición de energía mecánica.

La fricción se produce en las capas límite, debido a que el trabajo realizado por

las fuerzas de cizalla para mantener los gradientes de velocidad, tanto en el flujo laminar

como en el turbulento, se convierte finalmente en calor por acción viscosa. La fricción

que se produce en capas límite no separadas se llama fricción de superficie. Cuando las

capas límite se separan formando estelas, se produce una disipación adicional de energía

en la estela, y la fricción de este tipo se llama, fricción de forma, puesto que es función

de la posición y de la forma del sólido.

Coeficiente de Fricción.

Las pérdidas de energía son proporcionales a la carga de velocidad del fluido, conforme

pasa por un codo, expansión o contracción de la sección de flujo, o por una válvula. Por

lo general, los valores experimentales de las pérdidas de energía se reportan en términos

de un coeficiente de resistencia K como sigue:

ℎ𝐿 = 𝐾(𝑣2

2𝑔)


En esta ecuación, hL es la pérdida menor, K es el coeficiente de resistencia y v es la

velocidad promedio del flujo en el tubo en la vecindad donde ocurre la pérdida menor.

En ciertos casos puede haber más de una velocidad de flujo, como en las expansiones y

contracciones. Es de la mayor importancia que sepa cuál velocidad usar con cada

coeficiente de resistencia.

El coeficiente de resistencia es adimensional debido a que representa una

constante de proporcionalidad entre la pérdida de energía y la carga de velocidad. La

magnitud del coeficiente de resistencia depende de la geometría del dispositivo que

ocasiona la pérdida, a veces de la velocidad del flujo.

Caída de Presión/Pérdidas por Fricción.

- Expansión súbita.

Conforme un fluido pasa de una tubería

pequeña a otra más grande a través de una

expansión súbita, su velocidad disminuye de

manera abrupta, lo que ocasiona turbulencia,

que a su vez genera una pérdida de energía. La

cantidad de turbulencia, y por tanto de la

energía perdida, depende de la razón de los

tamaños de las dos tuberías. Figura 9 Expansión súbita.

La pérdida menor se calcula por medio de la ecuación

ℎ𝐿 = 𝐾(𝑣12 2𝑔)⁄

Donde v1 es la velocidad promedio del flujo en la tubería más pequeña antes de la

expansión.

Al hacer algunas suposiciones simplificadoras sobre el carácter de la corriente de

flujo conforme se expande en la expansión súbita, es posible predecir de manera analítica

el valor de K, con la ecuación siguiente:

𝐾 = [1 − (𝐴1 𝐴2)⁄ ]2 = [1 − (𝐷1 𝐷2)⁄ 2]

2

Los subíndices 1 y 2 se refieren a las secciones más pequeña y más grande,

respectivamente, como se aprecia en la figura 9.

- Contracción súbita.

La pérdida de energía debida a una contracción súbita, como la que se ilustra en la figura

10, se calcula por medio de:

ℎ𝐿 = 𝐾(𝑣22 2𝑔⁄ )

Figura 10 Contracción súbita.

Donde v2 es la velocidad en la tubería pequeña aguas debajo de la contracción. El

coeficiente de resistencia K depende de la relación de los tamaños de las dos tuberías y

de la velocidad de flujo.

Al comparar los valores para los coeficientes de pérdida en el caso de la

contracción súbita con los de expansiones súbitas, se observa que la pérdida de energía

en la primera es algo más pequeña. En general, la aceleración de un fluido causa menos

turbulencia que la desaceleración, para una relación dada de cambio de diámetro.


- Válvulas y Acoplamientos.

La pérdida de energía que tiene lugar cuando el fluido circula por una válvula o

acoplamiento se calcula con la ecuación

ℎ𝐿 = 𝐾(𝑣2

2𝑔)

Sin embargo, el método para determinar el coeficiente de resistencia K es diferente. El

valor de K se reporta en la forma:

𝐾 = (𝐿𝑒 𝐷⁄ )𝑓𝑇

En la tabla 1 se presenta el valor 𝐿𝑒 𝐷⁄ , llamado relación de longitud equivalente, y se

considera constante para un tipo dado de válvula o acoplamiento. El valor de 𝐿𝑒 se

denomina longitud equivalente, y es la longitud de una tubería recta del mismo diámetro

nominal que el de la válvula, la cual tendría la misma resistencia que ésta. El término D

es el diámetro interior real de la tubería.

Tabla 1 Resistencia de válvulas y acoplamientos.

El término 𝑓𝑇 es el factor de fricción en la tubería

a la que está conectada la válvula o acoplamiento,

que se da por hecho está en la zona de

turbulencia completa. Sus valores varían según el

tamaño de la tubería y la válvula, lo que hace que

el valor del coeficiente de resistencia K también

varíe.

En la tabla 2 se presenta una lista de los valores

de 𝑓𝑇 para tamaños estándar de tubería de acero

comercial, nueva y limpia. Si la tubería estuviera

hecha de un material diferente de acero

comercial, nueva y limpia, sería necesario

calcular la rugosidad relativa 𝐷 𝜖⁄ , y después usar

el diagrama de Moody para determinar el factor

de fricción en la zona de turbulencia completa.

Tabla 2 Factor de fricción en la zona de turbulencia completa para tubería de acero comercial, nueva y limpia.

- Vueltas de tubería.

La resistencia al flujo que opone una vuelta depende de la relación del radio de curvatura

r, al diámetro interior del tubo D. La resistencia está dada en términos de longitud


equivalente 𝐿𝑒 𝐷⁄ , por tanto, debe emplearse la ecuación 𝐾 = (𝐿𝑒 𝐷⁄ )𝑓𝑇 para calcular el coeficiente de resistencia.

Cuando se calcula r/D, se define r como el radio de la línea central del ducto o

tubo, que se denomina radio medio. Es decir, si R0 es el radio exterior de la vuelta,

entonces Ri es el radio interior de ésta y D0 es el diámetro exterior del ducto o tubo.

Figura 11 Curva a 90° en una tubería. Figura 12 Codos de tubería.

Se recomienda la fórmula siguiente para calcular el factor de resistencia K, para vueltas

con ángulos distintos de 90°:

𝐾𝐵 = (𝑛 − 1)[0.25𝜋𝑓𝑇(𝑟 𝐷⁄ ) + 0.5𝐾] + 𝐾 Donde K es la resistencia para una vuelta de 90°.

Mesa para Hidrodinámica Gunt HM 112.

El conocimiento del flujo en sistemas de tuberías tiene un amplio rango de aplicaciones

prácticas en muchos campos. Al fluir agua a través de un sistema de tuberías se producen

pérdidas de carga como consecuencia de la fricción interna y la fricción de tubería. Las

pérdidas de carga en el fluido dependen directamente de las resistencias y la velocidad de

flujo.

El banco de ensayos HM 112 permite

realizar múltiples experimentos para medir el

caudal y la presión, así como para determinar

pérdidas de carga y desarrollos de presión en

distintos elementos de tuberías.

El banco de ensayos contiene seis

secciones de tubo diferentes en horizontal. Así,

pueden estudiarse las influencias del material,

diámetro, sección transversal y cambio de

dirección de la tubería en la pérdida de carga.

En otra sección de tubo pueden montarse

objetos de medición como válvulas, filtros de

malla, tubos de Venturi, tubos de Pitot, caudalímetros de placa con orificio o toberas de

medida del caudal. Para visualizar las funciones, algunos de los objetos de medición son

transparentes.

El banco de ensayos puede funcionar independientemente del suministro de agua

y está equipado con una bomba y un depósito de agua. Para determinar el caudal, el banco

de ensayos dispone de un rotámetro. Justo delante y detrás de los objetos de medición hay

puntos de medición de presión en forma de cámaras anulares. De este modo se logra una

Figura 13 Banco de Ensayos Gunt HM 112.


medición de la presión precisa. Para la medición de la presión hay cinco objetos de

medición de presión diferentes con indicadores analógicos o digitales. En función del

procedimiento de medición, los valores de medición se leen analógicamente en el

manómetro o en indicadores digitales.

MATERIALES:

- Agua.

- Mesa para Hidrodinámica Gunt HM 112.

- Mangueras para Mesa para Hidrodinámica.

- Válvulas para Mesa para Hidrodinámica.

PROCEDIMIENTO:

1. Limpiar la Mesa para Hidrodinámica Gunt HM 112.

2. Conectar la Mesa para Hidrodinámica a la corriente.

3. Antes de empezar mediciones, conectar las mangueras a la primer línea, en la que

se encuentra el termómetro, para tomar la temperatura del agua.

4. Verificar que el circuito se encuentre cerrado (que el agua que entra desde el

tanque, recircule al mismo).

5. Encender el equipo, esperar unos segundos y tomar la lectura de temperatura.

6. Antes de utilizar cualquier línea para realizar mediciones, se desconectan las

mangueras y se conectan a la línea que se utilizará.

7. Se verifica que el circuito se encuentre cerrado.

8. Se conectan las mangueras más chicas que se utilizarán para el cálculo de la caída

de presión, por la primera que pasa el flujo se conecta en P1 y por la segunda que

pasa el flujo se conecta en P2.

9. Se abren las válvulas de éstas mangueras lo más equitativamente posible.

10. Se procederá a purgar, se enciende el equipo y se esperan aproximadamente de 4

a 5 segundos para que no haya existencia de burbujas de aire.

11. Ya que no se perciban burbujas, se apaga el equipo y al mismo tiempo se cierra la

válvula inicial.

12. Se desconectan las mangueras chicas de medición de presión.

13. En la carátula, la presión se lleva a cero.

14. Se cierran las válvulas de presión y se conectan las mangueras.

15. Para realizar cualquier medición, se abren las válvulas de presión, se enciende el

equipo y se toma la lectura de caudal y caída de presión.

16. Cada que se vaya a realizar una medición en otra línea, se tiene que volver a

purgar.

17. Para realizar mediciones de caída de presión en válvulas, se necesita desmontar la

válvula que se encuentre en ese momento instalada en la línea inicial e instalar la

que se desee analizar procurando que quede directamente hacia la persona que

realiza la medición (Válvula de Diafragma, Trampa de Sedimentos, Válvula de

Asiento Inclinado, Válvula de Bola o Válvula de Retención de Bola).

18. Al terminar, apagar el equipo en el botón off.

19. Desconectar el equipo.

20. Con los datos obtenidos, realizar los cálculos necesarios para la obtención de

caídas de presión de forma analítica.

21. Realizar comparaciones con lo obtenido experimentalmente.

22. Limpiar el área de trabajo.


Figura 14 Colocando mangueras. Figura 15 Modificando caudal.

Figura 16 Modificando el caudal. Figura 17 Encendiendo el equipo.

Figura 18 Purgando. Figura 19 Poniendo a cero la diferencia de presión.


CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Se determinó la caída de presión en tuberías, accesorios y válvulas como puede

observarse en las siguientes tablas:

TUBERÍAS:

Para los cálculos en tuberías se utilizaron las fórmulas:

Y los datos:

Gravedad = 9.81m/s2

Temperatura = 24°C (la cual no varió, se mantuvo constante)

Peso Específico = 9.78 kN/m3

Longitud de Tubería = 1m

Acero Galvanizado:

INTENTO f D (m) Q

(L/min) V (m/s) hL (m)

dif. P (kPa)

dif. P carátula (mbar)

dif. P carátula

(kPa)

1 0,0335 0,016 18 1,49208 0,23758 2,32353 32,33 3,233

2 0,0335 0,016 16,1 1,33458 0,19007 1,85889 25,26667 2,52667

3 0,0335 0,016 14 1,16050 0,14372 1,40559 18,9 1,89

4 0,0335 0,016 12,1 1,00301 0,10736 1,04996 13,3 1,33

5 0,0335 0,016 9,9 0,82064 0,07187 0,70287 7,9 0,79

Cobre:

INTENTO f D (m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 0,0248 0,016 18,5 1,53352 0,18579 1,81699 11,2 1,12

2 0,0248 0,016 16,4 1,35945 0,14600 1,42790 8,2 0,82

3 0,0248 0,016 14,6 1,21024 0,11571 1,13166 6 0,6

4 0,0248 0,016 12,5 1,03616 0,08482 0,82952 3,6 0,36

5 0,0248 0,016 10,5 0,87038 0,05985 0,58531 1,8 0,18

PVC:

INTENTO f D (m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 0,0256 0,017 18,6 1,36576 0,14317 1,40016 8,1 0,81

2 0,0256 0,017 16,6 1,21890 0,11403 1,11524 6,2 0,62000

3 0,0256 0,017 14,6 1,07205 0,08821 0,86270 4,3 0,43

4 0,0256 0,017 12,6 0,92519 0,06570 0,64253 2 0,2

5 0,0256 0,017 10,6 0,77834 0,04650 0,45474 0,6 0,06

ENSANCHAMIENTOS Y REDUCCIONES:

Para los cálculos en ensanchamientos y reducciones se utilizaron las siguientes fórmulas:

ℎ𝐿 = 𝑓 ∗𝐿

𝐷∗

𝑉2

2𝑔 ∆𝑃 = ℎ𝐿 ∗ 𝛾


Y los datos:

Gravedad = 9.81m/s3



Ensanchamiento:

INTENTO D1 (m)

D2 (m)

Q (L/min)

V1 (m/s)

V2 (m/s)

dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 0,017 0,0284 18,7 1,37310 0,49200 -0,81916 -3,5 -0,35

2 0,017 0,0284 16,7 1,22625 0,43938 -0,65331 -3,7 -0,37

3 0,017 0,0284 14,8 1,08673 0,38939 -0,51311 -3,85 -0,385

4 0,017 0,0284 12,7 0,93253 0,33414 -0,37783 -3,85 -0,385

5 0,017 0,0284 10,7 0,78568 0,28152 -0,26820 -3,7 -0,37

Reducción:

INTENTO D1 (m)

D2 (m)

Q (L/min)

V1 (m/s)

V2 (m/s)

dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 0,017 0,0136 17,8 1,30702 2,04221 1,22741 22,1 2,21

2 0,017 0,0136 15,8 1,16016 1,81275 0,96708 17,7 1,77

3 0,017 0,0136 13,8 1,01330 1,58329 0,73775 12,9 1,29

4 0,017 0,0136 11,8 0,86645 1,35383 0,53940 8,5 0,85

5 0,017 0,0136 9,8 0,71959 1,12436 0,37205 5 0,5

ACCESORIOS:

Para los cálculos en accesorios se utilizaron las fórmulas siguientes:

Y los datos:

Gravedad = 9.81m/s2



Pérdidas por fricción ft = 0.0256

Codo Recto:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 30 0,76800 0,017 18,3 1,34373 0,07068 0,69123 6,4 0,64

2 30 0,76800 0,017 16,5 1,21156 0,05746 0,56194 4,75 0,475

3 30 0,76800 0,017 14,6 1,07205 0,04499 0,43998 2,8 0,28

4 30 0,76800 0,017 12,6 0,92519 0,03351 0,32769 1,2 0,12

5 30 0,76800 0,017 10,5 0,77099 0,02327 0,22756 -0,05 -0,005

∆𝑃 = 𝑉1

2 − 𝑉22

2𝑔∗ 𝛾

ℎ𝐿 = 𝑘 ∗𝑉2

2𝑔 𝑘 = 𝑓𝑡 ∗

𝐿𝑒

𝐷 ∆𝑃 = ℎ𝐿 ∗ 𝛾


Codo Curvo 1:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 20 0,51200 0,017 18,3 1,34373 0,04712 0,46082 2,2 0,22

2 20 0,51200 0,017 16,3 1,19687 0,03738 0,36560 1,1 0,11

3 20 0,51200 0,017 14,3 1,05002 0,02877 0,28139 0,15 0,015

4 20 0,51200 0,017 12,3 0,90316 0,02129 0,20818 -0,75 -0,075

5 20 0,51200 0,017 10,3 0,75631 0,01493 0,14598 -1,45 -0,145

Codo Curvo 2:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 20 0,51200 0,017 18,2 1,33639 0,04661 0,45580 2,25 0,225

Codo Curvo 3:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 20 0,51200 0,017 18,2 1,33639 0,04661 0,45580 2,85 0,285

VÁLVULAS:

Para los cálculos en válvulas se utilizaron las fórmulas siguientes:

Y los datos:

Gravedad = 9.81m/s2



Pérdidas por fricción ft = 0.0266

Válvula de Diafragma:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

Porcen. %

1 100 2,66 0,017 17,45 1,28132 0,22258 2,17688 30,4 3,04 100

2 100 2,66 0,017 17 1,24827 0,21125 2,06605 34,05 3,405 75

3 100 2,66 0,017 16,45 1,20789 0,19780 1,93453 56,05 5,605 50

4 100 2,66 0,017 12,7 0,93253 0,11790 1,15306 160,8 16,08 25

Trampa de Sedimentos:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 75 1,995 0,017 16,4 1,20422 0,14745 1,44209 12,26667 1,22667

ℎ𝐿 = 𝑘 ∗𝑉2

2𝑔 𝑘 = 𝑓𝑡 ∗

𝐿𝑒

𝐷 ∆𝑃 = ℎ𝐿 ∗ 𝛾


Válvula de Retención de Bola:

INTENTO Le/D k D (m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

1 150 3,99 0,017 18 1,32170 0,35526 3,47440 12,30000 1,23000

Válvula de Bola:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

Porcen. (%)

1 100 2,66 0,017 18,3 1,34373 0,24480 2,39412 -2,4 -0,24 100

2 100 2,66 0,017 17,55 1,28866 0,22514 2,20190 22,75 2,275 83

3 100 2,66 0,017 16,75 1,22992 0,20509 2,00573 51,25 5,125 78

4 100 2,66 0,017 13,1 0,96191 0,12544 1,22683 163,333 16,333 50

Válvula de Asiento Inclinado:

INTENTO Le/D k D

(m) Q


dif. P (kPa)


dif. P carátula

(kPa)

Porcen. (%)

1 100 2,66 0,017 17,7 1,29967 0,22901 2,23970 -10,033 -1,003 100

2 100 2,66 0,017 17,6 1,29233 0,22643 2,21447 -10,166 -1,016 75

3 100 2,66 0,017 17,5 1,28499 0,22386 2,18937 -7,300 -0,73 50

4 100 2,66 0,017 17 1,24827 0,21125 2,06605 6 0,6 25

5 100 2,66 0,017 16,7 1,22625 0,20386 1,99378 9,95 0,995 24

6 100 2,66 0,017 16,5 1,21156 0,19901 1,94631 14,45 1,445 21

7 100 2,66 0,017 16,2 1,18953 0,19184 1,87618 19,9 1,99 17

8 100 2,66 0,017 15,6 1,14548 0,17789 1,73977 31,15 3,115 14

9 100 2,66 0,017 14,7 1,07939 0,15796 1,54482 48,05 4,805 10

10 100 2,66 0,017 13,4 0,98393 0,13125 1,28367 71,7 7,17 7

ANÁLISIS:

Como se puede observar en las tablas anteriores, el caso de la tubería de acero, resultó

con la diferencia de presión más alta con respecto a las demás tuberías (cobre y PVC),

esto es debido a la rugosidad de la tubería, lo que permite que ésta provoque más fricción

al momento que fluye el fluido a través de ella. En el caso de la tubería de cobre sucede

lo mismo con respecto a la de PVC, es decir, que se obtiene un resultado de la diferencial

de presión más bajo con respecto a la de acero pero más alto con respecto a la de PVC,

esto es debido a que la tubería de PVC está hecha de un material liso, por lo que el efecto

de la fricción del fluido con las paredes se reduce considerablemente. Con respecto a las

mediciones tomadas en cada tubería, al reducir el caudal también se redujo la presión,

esto es porque son directamente proporcionales. Comparando los resultados obtenidos

teórica y experimentalmente en la figura 20 nos podemos percatar de que el

comportamiento fue como se esperaba, los valores son un poco mayores o menores a la

curva teórica dependiendo de la tubería, pero la naturalidad de la variación es muy similar,

se podría decir que se obtuvieron los resultados que se buscaban.


Figura 20 Gráfica de Caída de Presión vs Caudal en Tuberías, resultados teóricos y experimentales.

En el caso de la tubería con ensanchamiento, la lectura del diferencial de presión

en cada una de las mediciones dio negativo, esto es debido a que la presión aumenta, ya

que al incrementar el diámetro a lo largo de la tubería, la velocidad se disminuye,

provocando una acumulación parcial en la tubería haciendo que la presión en el punto

final con respecto al punto inicial sea mayor, pues se necesitaría más presión para obligar

al flujo a pasar por esta tubería a menor velocidad que en la entrada, con mayor velocidad,

se necesita menos presión.

Para una tubería con reducción, se origina el caso contrario. Como la velocidad

de salida es mayor que la velocidad de entrada, la presión es mucho mayor a la entrada

que a la salida, lo que ocasiona una diferencia de presión positiva, como se observa en la

figura 21. En este caso los resultados obtenidos también se asemejan a los teóricos.

Figura 21 Gráfica de Caída de Presión vs Caudal en Ensanchamientos y Reducciones, resultados teóricos y

experimentales.

0,00000

0,50000

1,00000

1,50000

2,00000

2,50000

3,00000

3,50000

9 11 13 15 17 19

Caí

da

de

Pre

sió

n (

kPa)

Caudal (L/min)

Caída de Presión vs Caudal en Tuberías

Acero GalvanizadoTeórico

Acero GalvanizadoExperimento

Cobre Teórico

Cobre Experimento

PVC Teórico

PVC Experimento

-1,00000

-0,50000

0,00000

0,50000

1,00000

1,50000

2,00000

2,50000

9 11 13 15 17 19Caí

da

de

Pre

sió

n (

kPa)

Caudal (L/min)

Caída de Presión vs Caudal en Ensanchamientos y Reducciones

ReducciónTeórico

ReducciónExperimento

Ensanchamiento Teórico

Ensanchamiento Experimento


Con respecto a los accesorios, como era de esperarse, en el codo recto se obtuvo

un diferencial de presión mayor que al de un codo curvo, esto es debido a que se requiere

de más presión para hacer fluir el fluido por un ángulo recto ya que éste obedece una

inclinación pronunciada, lo que dificulta más el paso del fluido en comparación al codo

curvo, el cual tiene una inclinación proporcional, lo que facilita el paso del fluido a través

de éste. Se puede observar en las tablas y en la figura 22 que a medida que se disminuía

el caudal, la caída de presión disminuía también, hasta llegar a tomar valores de caída de

presión negativos, que indican que la presión en el punto de salida se vuelve mayor al de

la entrada, ¿por qué pasa esto? Puede deberse a que el flujo de entrada solo lleva consigo

las pérdidas de fricción por la tubería, y en el flujo de salida se anexan las pérdidas por

fricción debido a la forma del accesorio.

Figura 22 Gráfica de Caída de Presión vs Caudal en Codos Rectos y Curvos, resultados teóricos y experimentales.

En el caso de las válvulas, se analizaron cinco tipos, tres de ellas modificando el

porcentaje de abertura y las otras dos simplemente dejando fluir el flujo máximo que la

mesa para hidrodinámica permite. En los resultados obtenidos, se puede observar en la

figura 23 que cuando se disminuye el porcentaje de abertura de las válvulas disminuye de

igual forma el caudal. En la figura 24 se analiza cómo la caída de presión va disminuyendo

conforme aumenta el caudal, ¿por qué sucede esto? Se debe a que, a medida que se va

cerrando la abertura de la válvula, la velocidad en la entrada va a ser menor que en la

salida, esto significa que en la entrada se necesita mayor presión para que pueda fluir el

flujo que en la salida de la válvula. Conforme se va disminuyendo la abertura, y con ello,

el flujo, aumenta la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la válvula. Los

resultados teóricos y experimentales obtenidos fueron algo diferentes, como se observa

en las tablas, principalmente porque en la teoría la diferencia de presión disminuye

conforme disminuye el caudal, esto obedece a que en nuestra teoría, las pérdidas por

fricción dependen de la velocidad, y la velocidad está variando no solamente por la

disminución del caudal, sino también, por que el diámetro de entrada está disminuyendo

al cerrarse la válvula, cálculo que no ha sido tomado en cuenta ya que una válvula no se

va cerrando en forma de circunferencia, por ende, el valor del área no se calculará con la

fórmula del área del círculo.

-0,20000

-0,10000

0,00000

0,10000

0,20000

0,30000

0,40000

0,50000

0,60000

0,70000

0,80000

9 11 13 15 17 19

Caí

da

de

Pre

sió

n (

kPa)

Caudal (L/min)

Caída de Presión vs Caudal en Codos Rectos y Curvos

Codo RectoTeóricoCodo RectoExperimentoCodo CurvoTeóricoCodo CurvoExperimento


Figura 23 Gráfica de Caudal vs Porcentaje de Abertura en Válvulas, experimentalmente y tendencia.

Figura 24 Gráfica de Caída de Presión vs Caudal en Válvulas, experimentalmente y tendencia.

OBSERVACIONES:

La práctica se realizó en dos ocasiones. En la primera de ellas los resultados obtenidos no

eran los deseados debido a un pequeño error en la operación del equipo y a falta de

mantenimiento del mismo, lo cual ocasionaba que unos resultados dieran valores

incongruentes (negativos cuando deberían ser positivos). Se realizó una limpieza del

equipo con una solución de ácido cítrico al 1% y se volvió a llevar a cabo la práctica.

12

13

14

15

16

17

18

19

-10 10 30 50 70 90 110

Cau

dal

(L/

min

)

Porcentaje de de Abertura (%)

Caudal vs Porcentaje de Abertura en Válvulas

Válvula de Diafragma

Válvula de Bola

Válvula de Asiento Inclinado

Logarítmica (Válvula deDiafragma)

Logarítmica (Válvula de Bola)

Logarítmica (Válvula deAsiento Inclinado)

-5

0

5

10

15

20

12 13 14 15 16 17 18 19 20

Caí

da

de

Pre

sió

n (

kPa)

Caudal (L/min)

Caída de Presión vs Caudal en Válvulas

Válvula deDiafragmaVálvula de Bola

Válvula de AsientoInclinado


En la segunda ocasión se pudo observar que la limpieza realizada sí tuvo

relevancia en los resultados, pues cambiaron significativamente acercándose más a los

esperados.

ANEXOS:

Manual de Mesa para Hidrodinámica.

FUENTES DE INFORMACIÓN:

Libros:

- McCabe, Warren. (1991). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.

Editorial McGraw-Hill. Cuarta Edición. España. Pág. 75-76, 106-109, 88-193.

- Mott, Robert. (2006). Mecánica de Fluidos. Editorial Pearson Educación. Sexta

Edición. México. Págs. 158-161, 281-305.

- Perry, Robert. (2001). Manual del Ingeniero Químico. Editorial McGraw-Hill.

Sexta Edición.

- Wilson D, Jerry. (2003). Física. Editorial Pearson. Quinta Edición. México.

Internet:

- GUNT Hamburg. (2005). Equipos para la Educación en Ingeniería. HM 112

Banco de Ensayos. Consultado el 27 de febrero de 2015 en:

http://www.gunt.de/static/s3178_3.php?p1=&p2=&pN=

http://www.gunt.de/static/s3178_3.php?p1=&p2=&pN

práctica 6 caídas de presión en tuberías, accesorios y válvulas

Engineering