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PERDIDAS DE CARGA LOCALES EN TUBERÍAS
1. INTRODUCCIÓN
El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una pérdida de energía, que suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga.
Además de las pérdidas de carga lineales(a lo largo de los conductos), también se producen pérdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, ampliaciones, reducciones, válvulas, etc. En el presente informe nos ocuparemos de las pérdidas de cargas singulares, locales o secundarias.
Las pérdidas locales son provocadas generalmente por cambios en la velocidad, sea magnitud o dirección.
2. OBJETIVOS.
Poner de manifiesto las pérdidas de carga y los caracteres de una corriente que circula por un sistema hidráulico en el que existen cambios de sección, de dirección y válvulas.
Determinar las constantes de ensanchamiento, contracción y codos, para pérdidas de cargas locales.
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3. EQUIPOS Y MATERIALES
Banco Hidráulico FME 08El tanque de medición volumétrica está escalonado, permitiendo medir caudales altos o bajos. Un deflector de amortiguación reduce la turbulencia y un vaso comunicante exterior con escala marcada ofrece una indicación instantánea del nivel de agua. El suministro incluye un cilindro medidor para la medición de caudales muy pequeños.
Equipo de pérdida de cargas locales FME 05
Marca EDIBON, modelo FME05; éste equipo consta de un piezómetro antes y después de cada dispositivo. Tiene ensanchamiento, codo largo, codo medio, y un codo corto, una entrada y una salida para el fluido, además consta de un inglete (que es una especie de un codo pero con un ángulo de 90º).
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Este equipo pone de manifiesto las pérdidas de cargas y los caracteres de una corriente que circula por un sistema hidráulico en el que existen cambio de sección, dirección y válvulas.
Este equipo puede trabajar con el Banco Hidráulico (FME00)
Dispone de doce tubos manométricos y dos manómetros tipo Bourdon de0a2,5bar.
El circuito hidráulico tiene tomas de presión a lo largo de las tuberías, lo que permite medir la pérdida de energía en distintos elementos. El rango de manómetros de diferencial: 0 a500 mm.
El número de tubos manométricos: 12.
Cronometro
Para medir el tiempo en que se llena un cierto volumen de fluido
Probeta
Para medir volúmenes de fluido y junto con el tiempo de de llenado respectivo calcular el caudal
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4. MARCO TEÓRICO:
PÉRDIDAS LOCALES
FUNDAMENTO TEÓRICOAdemás de las pérdidas de energía por fricción, hay otras pérdidas "menores" asociadas con los problemas en tuberías. Se considera que tales pérdidas ocurren localmente en el disturbio del flujo. Estas ocurren debido a cualquier disturbio del flujo provocado por curvaturas o cambios en la sección. Son llamadas pérdidas menores porque pueden despreciarse con frecuencia, particularmente en tuberías largas donde las pérdidas debidas a la fricción son altas en comparación con las pérdidas locales. Sin embargo en tuberías cortas y con un considerable número de accesorios, el efecto de las pérdidas locales será grande y deberán tenerse en cuenta.
Las pérdidas menores son provocadas generalmente por cambios en la velocidad, sea magnitud o dirección. Experimentalmente se ha demostrado que la magnitud de las pérdidas es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Es común expresar las pérdidas menores como función de la cabeza de velocidad en el tubo, V2/2g:
Con hL la pérdida menor y K el coeficiente de pérdida. Valores de K para todo tipo de accesorio, son encontrados en los textos de fluidos e hidráulica.
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Un ensanchamiento súbito en la tubería provoca un incremento en la presión de P1 a P2 y un decrecimiento en la velocidad de V1 a V2 (figura
1).
Figura 1. Pérdida en una expansión súbita.
Separación y turbulencia ocurre cuando el flujo sale del tubo más pequeño y las condiciones normales del flujo no se restablecen hasta una cierta distancia aguas abajo. Una presión P0 actúa en la zona de remolinos y el trabajo experimental ha demostrado que P0 = P1. Aislando el cuerpo del fluido entre las secciones (1) y (2), las fuerzas que actúan sobre el fluido son las que se muestran en la figura 2.
Figura 2. Volumen de control para una expansión súbita.
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K (coeficiente de pérdida)
Un caso especial ocurre cuando un tubo descarga en un tanque (figura 3). El área a1 del tubo es muy pequeña comparada con el área a2 del tanque; entonces,
K
= 1 y
Figura 3. Descarga de una tubería en un tanque.
PÉRDIDA EN UNA CONTRACCIÓN SÚBITA
Figura 4. Pérdida en una contracción súbita.
El flujo a través de una contracción súbita usualmente involucra la formación de una vena contracta en el tubo pequeño, aguas abajo del cambio de sección. La pérdida total de energía en una contracción súbita se debe a dos pérdidas menores separadamente. Éstas son causadas por:
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La convergencia de las líneas de corriente del tubo aguas arriba a la sección de la vena contracta.
La divergencia de las líneas de corriente de la sección de la vena contracta al tubo aguas abajo.
El proceso de convertir carga de presión en carga de velocidad es bastante eficaz, de ahí que la pérdida de carga de la sección (1) hasta la vena contracta (sección de mayor contracción en el chorro) sea pequeña comparada con la pérdida de la sección de la vena contracta hasta la sección (2), donde una carga de velocidad se vuelve a convertir en carga de presión. Por esto una estimación satisfactoria de la pérdida total hL , puede establecerse considerando únicamente la pérdida debida a la expansión de las líneas de corriente. De la ecuación (2),
Cc es el coeficiente de contracción.
Y dado que resulta: K
Un caso especial ocurre en el flujo que entra a una tubería proveniente de un tanque. Como la pérdida de energía depende del valor del coeficiente de contracción Cc, pueden hacerse varias modificaciones en la forma de la entrada al tubo para reducir las pérdidas. Por ejemplo una entrada de boca campana reduce considerablemente el coeficiente de pérdidas K. (figura 5)
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Figura 5. Salida de una tubería de un tanque. Curvaturas, válvulas, secciones asimétricas, etc.
Es difícil desarrollar expresiones analíticas exactas para determinar la pérdida de energía en codos, válvulas, etc. Por lo tanto la pérdida de energía se expresa simplemente de la forma
donde:
K = coeficiente de pérdida
V = velocidad del flujo en el tubo aguas abajo del disturbio
Para cada accesorio se puede recurrir a la experimentación para determinar el valor de K.
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5. PROCEDIMIENTO:
Instalación del equipo: Situar el equipo sobre el Banco Hidráulico.
Conectar el tubo de entrada (11) con la boquilla de impulsión del Banco, e introducir en el tanque volumétrico el extremo del tubo de salida aguas debajo de la válvula de control (12).
Modelo FME05
En el circuito hidráulico del equipo se halla instalados en serie, para poderlos comparar directamente, una sucesión de elementos singulares que provocan pérdidas de carga localizadas en el lugar en donde se encuentran situados, a saber:
a) Un cambio gradual de dirección, en forma de codo largo (1). b) Un ensanchamiento brusco de sección,(2).
c) Un estrechamiento brusco de sección, (3).
d) Un cambio gradual de dirección, en forma de codo medio (6). e) Un cambio brusco de dirección, en forma de codo (a 90º), (4).
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f) Una válvula de tipo compuesta (9).
g) Un cambio brusco de dirección con la válvula de control de salida (12).
El caudal que circula se regula con la válvula de control de salida (12)
Desarrollo de la práctica:
Montar el Aparato cobre el Banco Hidráulico,
Conectar el tubo de entrada del aparato a la impulsión del Banco y empalmar un conducto a la salida de aquel, para que desagüe en el tanque volumétrico.
Abrir completamente la válvula de control de salida del aparato y la válvula de compuerta.
Poner en marcha la bomba y abrir la válvula de control del sumidero del Banco para permitir que el agua circule por el interior del aparato evacuando todas las bolsas o burbujas de aire que existan.
Una vez desalojado el aire desconectar la válvula antirretorno hasta lograr que los finos conductos de tomas de presión y los tubos manométricos del panel estén llenos de agua.
Empezamos a realizar el ensayo y ajustamos a voluntad propia los niveles de los tubos manométricos y tomar los datos de los diferentes tubos.
Ajustamos de forma escalonada en sucesivas etapas en cinco ocasiones tomando pos caudales en las siguientes lecturas.
Para esto utilizamos una probeta para medir los volúmenes y un cronómetro para medir el tiempo en que se llena la probeta.
Luego de terminar de leer las lecturas en cinco ocasiones con los datos tomados hallamos los k correspondientes.
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6. Datos
Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5
Volumen (mL) 550 950 755 830 980 Tiempo (s) 4.6 7.3 5 4.3 3.9 Caudal (m3/s) 0.00011957 0.00013014 0.000151 0.00019302 0.00025128 V1(m/s) 0.41949329 0.45658423 0.52978189 0.67722003 0.88162039 V2(m/s) 0.9438599 1.02731451 1.19200925 1.52374507 1.98364588
7. CÁLCULOS Y RESULTADOS
Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5
H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 H1 H2 ensanchamiento 242 244 247 250 257 261 268 273 310 320 contracción 244 240 250 244 260 252 272 261 318 297 codo largo 242 241 247 245 258 254 268 263 310 299 codo medio 238 237 242 240 250 248 259 256 292 287 mitre inglete 192 184 181 172 163 151 145 128 68 37 áreas(m2) d1(pulg) 0.75 0.00028502 d2(pulg) 0.5 0.00012668
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Dh (m) Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5
ensanchamiento 0.002 0.003 0.004 0.005 0.01
constraccion 0.004 0.006 0.008 0.011 0.021
codo largo 0.001 0.002 0.004 0.005 0.011
codo medio 0.001 0.002 0.002 0.003 0.005
mitre inglete 0.008 0.009 0.012 0.017 0.031
V2/2g Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5
ensanchamiento 0.00896914 0.01062534 0.01430524 0.02337548 0.03961542
constraccion 0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306
codo largo 0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306
codo medio 0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306
mitre inglete 0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306
K Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5 Promedio
ensanchamiento 0.2229867 0.28234393 0.27961778 0.21389933 0.25242697 0.25025
constraccion 0.08809351 0.11154328 0.11046628 0.09295378 0.10471045 0.10155
codo largo 0.02202338 0.03718109 0.05523314 0.04225172 0.05484833 0.04231
codo medio 0.02202338 0.03718109 0.02761657 0.02535103 0.02493106 0.02742
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Graficas
0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0 2 4 6Ensanchamiento
Ensanchamiento Linear (Ensanchamiento) 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.11 0.115 0 1 2 3 4 5 6Contracción
Contracción Linear (Contracción) 0.015 0.025 0.035 0.045 0.055 0 1 2 3 4 5 6Codo Largo
Codo Largo Linear (Codo Largo)14
8. CONCLUSIONES
Considero que el cálculo de HL es de gran utilidad ya que nos permite determinar las pérdidas que hay en nuestro sistema de tuberías las cuales pueden ser perdidas mayores o menores según sea el caso, lo cual nos ayuda a hacer más eficiente nuestro sistema, este tema es de gran utilidad ya que en la práctica, este es uno de los problemas a resolver. Y el determinar hL nos ayuda a mejorar los sistemas hidráulicos.
0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 1 2 3 4 5 6
Codo Medio
Codo Medio Linear (Codo Medio) 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0 1 2 3 4 5 6Mitre Inglete
Mitre Inglete Linear (Mitre Inglete)15
9. BIBLIOGRAFÍA
Practica: Perdida de Carga en Accesorios – INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI
http://www.tecnicsuport.com www.wikipedia.com
