Lab 1 - Perdidas en Tub Lisa y Rugosa

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INFORME PERDIDAS POR FRICCION INFORME PERDIDAS POR FRICCION

“TUBERIAS LISAS Y RUGOSAS” “TUBERIAS LISAS Y RUGOSAS”

CAROLINA HERNANDEZ BERNAL CAROLINA HERNANDEZ BERNAL ROGER ESTIVEN DIAZ GALEANO ROGER ESTIVEN DIAZ GALEANO JOSE ALEJANDRO MARTINEZ CORTES JOSE ALEJANDRO MARTINEZ CORTES

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERIA CIVIL

PROGRAMA INGENIERIA CIVIL – – V SEMESTRE V SEMESTRE

GIRARDOT GIRARDOT

2017 2017

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INFORME PERDIDAS POR FRICCION INFORME PERDIDAS POR FRICCION

“PERDIDAS EN TUBERIAS LISAS Y RUGOSAS” “PERDIDAS EN TUBERIAS LISAS Y RUGOSAS”

CAROLINA HERNANDEZ BERNAL CAROLINA HERNANDEZ BERNAL ROGER ESTIVEN DIAZ GALEANO ROGER ESTIVEN DIAZ GALEANO JOSE ALEJANDRO MARTINEZ CORTES JOSE ALEJANDRO MARTINEZ CORTES

TRABAJO ESCRITO PRESENTADO COMO REQUISITO COMPLEMENTARIO TRABAJO ESCRITO PRESENTADO COMO REQUISITO COMPLEMENTARIO

DE EVALUACIÓN PARA LA ASIGNATURA DE CONDUCTOS DE EVALUACIÓN PARA LA ASIGNATURA DE CONDUCTOS

YAN MAURICIO ALMANZA YAN MAURICIO ALMANZA

INGENIERO INGENIERO

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FACULTAD DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERIA CIVIL

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TABLA DE CONTENIDO 1. OBJETIVOS ... 6 1.1. objetivo general ... 7 1.2. OBJETIVOs ESPECIFICOS ... 7 2. MARCO TEORICO ... 8 2.1. PERDIDAS PRIMARIAS ... 8 3. LABORATORIO ... 12 3.1. MATERIALES ... 12 4. PROCEDIMIETO ... 13 5. INFORME ... 15 6. CONCLUSIONES ... 24 7. BIBLIOGRAFÍA ... 25

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Perdidas en Tubería Lisa. ... 13

Tabla 2. Perdidas en Tubería Rugosa. ... 14

Tabla 3. Caudal en tubería lisa. ... 15

Tabla 4. Caudal en tubería Rugosa. ... 15

Tabla 5. Gradiente Tubería Lisa. ... 16

Tabla 6. Gradiente Tubería Rugosa. ... 17

Tabla 7. Datos iniciales de la práctica. ... 17

Tabla 8. Calculo velocidad media Tubería Lisa. ... 18

Tabla 9. Calculo velocidad media Tubería Rugosa. ... 18

Tabla 10. Reynolds Tubería Lisa. ... 19

Tabla 11. Reynolds Tubería Rugosa. ... 19

Tabla 12. Porcentaje de error en el factor de fricción –Tubería Lisa. ... 23

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama de una Tuberia. ... 8 Figura 2. Banco de pruebas para estimación de perdidas en tubería ... 12

LISTA DE GRAFICOS

Grafico 1. Gradiente hidráulico vs Velocidad Media –Tubería Lisa. ... 20

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2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL

Identificar que es una pérdida y porque razón se pierde energía en la conducción de un flujo a presión en tuberías de diámetros pequeños, para superficies lisas y/o rugosa.

2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Analizar e investigar en qué casos utilizó la ecuación de Darcy y en que otros la ecuación de Hagen- Poiseulle.

- Comprender de forma experimental que es un gradiente hidráulico, como calcular el coeficiente fricción, que es la velocidad media y cómo podríamos a partir de Reynols determinar de qué tipo de flujo se trata.

- Calcular cuáles son los valores de las pérdidas de energía obtenidas en la experimentación y compararlos con la teoría.

(8)

3. MARCO TEORICO 3.1. PERDIDAS PRIMARIAS

Supongamos una tubería horizontal de diámetro constante (D) po r la cual circula un fluido con ciertas propiedades (



cuya velocidad media en la tubería es (v):

La energía en el punto 1 sea igual a la energía en el punto 2 más la perdida de energía primaria por fricción.

1+1+1



2 = 2+2+ 2

2



Donde:

Z1=Z2 Por estar la tubería en Posición horizontal

V1=V2 Por ser la tubería de sección transversal o diámetro constante.

Entonces:

ℎ

−

= 12

_

Fuente: http://www.unesco.org.uy/phi/libros/obrashidraul/Cap5.html Figura 1. Diagrama de una Tuberia.

E.c. 1

(9)

hf:Son las pérdidas de energía debida a la fricción por unidad de peso del f luido, en

una tubería y se puede calcular a partir de la ecuación de Darcy-Weisbach o de la ecuación de Hagen- Poiseulle.

ECUACION DE DARCY WEISBACH:

Sirve para calcular las características del flujo turbulento e inclusive en la zona de transición:

ℎ= 

_2



En donde:

ℎ:

pérdida de energía por unidad de peso.

:

Coeficiente de fricción de Darcy

:

Longitud de la tubería de ensayo.

:

Diámetro interno de la tubería

:

Velocidad media del flujo.

:

Gravedad

ECUACION DE HAGEN POISEULLE:

Sirve para calcular o indicar las características del flujo laminar en una tubería:

Flujo laminar IR < 2000. Flujo turbulento IR > 4000.

=  

:

Número de Reynolds.

:

Densidad del fluido.

:

Velocidad

:

Diámetro de Ia tubería.

:

Viscosidad dinámica del fluido.

E.c. 3

(10)

ECUACION DE HAGEN- POISEULLE

ℎ=32

_



hf: Pérdida de energía por unidad de peso

:

Viscosidad absoluta del fluido L: longitud de la tubería de ensayo V: Velocidad media del flujo

P: Densidad del fluido

ℎ=ℎ

1. De las ecuaciones podemos observar cómo es relación del gradiente hidráulico con la velocidad media del flujo:

a) Flujo Laminar:



es proporcional a V1 b) Flujo Turbulento:



es proporcional a v2

Es decir que existe una relación estricta del gradiente con la velocidad, que es de la forma:

ℎ=



Para cualquier tipo de flujo. (Laminar, transición, turbulento).

E.c. 5

E.c. 6

(11)

2. ¿Cómo es la relación entre f e IR?

a) Flujo laminar: f=



de la ecuación de Hagen- Poiseulle.

b) Flujo Turbulento: se encontró que, para este tipo de flujo, la tubería lisa e IR> 10000 el coeficiente de fricción de Darcy se puede calcular a partir de:

(12)

4. LABORATORIO 4.1. MATERIALES - Tubería Lisa - Tubería rugosa - Accesorio en T - Válvulas - Manómetro de mercurio - Power - Manómetro de agua - Codos a 90º

- Válvula de retención de caudal - Cronometro

Figura 2. Banco de pruebas para estimación de perdidas en tubería Material fotográfico. Practicas Laboratorio Universidad Piloto de Colombia

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5. PROCEDIMIETO 1. Mídase el diámetro interno de tubería.

2. Prendase la instalación.

3. Coloque la válvula reguladora de caudal en una posición fija.

4. Tómese la medida de las presiones entre dos puntos de la tubería horizontal (Manómetro de mercurio o de agua).

5. Hágase el aforo del caudal en forma volumétrica, para un determinado tiempo, mídase el volumen del líquido que pasa por la tubería.

6. Tómese la temperatura del fluido

7. Cámbiese el caudal moviendo la válvula reguladora de caudal. 8. Repítase el procedimiento de 7 a 10 veces como mínimo. 9. Llénese la siguiente tabla.

PERDIDAS EN TUBERÍA LISA

N. DE DATO PRESIÓN 1

(PSI) PRESIÓN 2 (PSI)

VOLUMEN (L) VOLUMEN (m3) TIEMPO (S) 1 2,20 1,20 5,00 0,005 11,53 2 2,00 1,20 5,00 0,005 9,75 3 1,80 1,20 5,00 0,005 10,80 4 1,40 1,00 5,00 0,005 13,89 5 1,30 1,00 5,00 0,005 15,23 6 1,20 1,00 6,00 0,006 18,37 7 1,00 0,80 4,00 0,004 14,86 8 0,80 0,80 3,00 0,003 12,18 9 0,60 0,80 3,00 0,003 14,31 10 0,40 0,60 3,00 0,003 18,56 Temperatura: 15,09º

Diámetro del Tubo: 0,0127 m Longitud: 1 m

Tabla 1. Perdidas en Tubería Lisa.

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PERDIDAS EN TUBERÍA RUGOSA N. DE DATO PRESIÓN 1 (mmHg) PRESIÓN 2 (mmHg) VOLUMEN (L) VOLUMEN (m3) TIEMPO (S) 1,00 4,00 2,20 5,00 0,005 10,23 2,00 3,80 2,00 5,00 0,005 16,99 3,00 3,20 1,80 10,00 0,010 24,76 4,00 1,80 1,20 10,00 0,010 31,72 5,00 1,60 1,00 5,00 0,005 19,42 6,00 1,40 1,20 10,00 0,010 39,22 7,00 1,00 1,00 5,00 0,005 37,01 8,00 0,80 0,90 5,00 0,005 35,08 9,00 0,30 0,40 5,00 0,005 39,44 10,00 0,30 0,80 3,00 0,003 75,04 Temperatura: 16,69ºc Diámetro de la tubería: 0,0127 m Longitud: 1 m

Tabla 2. Perdidas en Tubería Rugosa.

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6. INFORME 1. Para cada caudal determine:

a) El caudal (método volumétrico) Tubería Lisa N. DE DATO Q (m3/s) 1 0,000433651 2 0,000512821 3 0,000462963 4 0,000359971 5 0,000328299 6 0,000326619 7 0,000269179 8 0,000246305 9 0,000209644 10 0,000161638 Tubería rugosa N. DE DATO Q (m3/s) 1 0,00048876 2 0,00029429 3 0,00040388 4 0,00031526 5 0,00025747 6 0,00025497 7 0,00013510 8 0,00014253 9 0,00012677 10 0,00003998

Tabla 3. Caudal en tubería lisa.

Tabla 4. Caudal en tubería Rugosa.

Datos suministrados. Practicas Laboratorio Universidad Piloto de Colombia - Bogotá

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b) Gradiente hidráulico

Para el gradiente Hidráulico es necesario tener el valor de las perdidas por fricción que se generan a partir de la siguiente ecuación:

ℎ

−

= 12



Una vez obtenida las pérdidas se procede a calcular el valor del gradiente hidrá ulico a través de la siguiente ecuación:

ℎ=ℎ

Tubería Lisa N. DE DATO hf GRADIENTE 1 0,7033 0,7033 2 0,5626 0,5626 3 0,4220 0,4220 4 0,2813 0,2813 5 0,2110 0,2110 6 0,1407 0,1407 7 0,1407 0,1407 8 0,0000 0,0000 9 0,1407 0,1407 10 0,1407 0,1407

Tabla 5. Gradiente Tubería Lisa.

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Tubería Rugosa N. DE DATO hf GRADIENTE 1 1,2659 1,2659 2 1,2659 1,2659 3 0,9846 0,9846 4 0,4220 0,4220 5 0,4220 0,4220 6 0,1407 0,1407 7 0,0000 0,0000 8 0,0703 0,0703 9 0,0703 0,0703 10 0,3516 0,3516 c) Velocidad media

El agua se encuentra a una temperatura que oscila entre los 15 a 16 grados Celsius, partiendo de lo anterior, se realizan los cálculos de la velocidad media con los siguientes datos: DATOS INICIALES Gravedad 9,81 Dim. Tub. 0,0127 Visc. Dina. 0,00114 pa.s Visc. Cin. 1,14E-06 m2/s

Densidad 999,1 Kg/m3 Ks 1,5E-6 (PVC) 0,00015 (HIERRO GALVANIZADO)

Tabla 6. Gradiente Tubería Rugosa.

Tabla 7. Datos iniciales de la práctica. Datos suministrados. Practicas Laboratorio Universidad Piloto de Colombia - Bogotá

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La fórmula de DARCY, despejada en función de la Velocidad media, queda de la siguiente forma:

=√ 2ℎ∗∗

_∗

N. DE DATO RE f VELOCIDAD MEDIA 1 38102,3009 0,022577688 2,785942 2 45058,41327 0,021781246 2,536971 3 40677,7342 0,022261177 2,173269 4 31628,47583 0,023521635 1,726267 5 28845,66837 0,024012933 1,479619 6 28698,06397 0,024040793 1,207404 7 23651,11867 0,025130609 1,180933 8 21641,35612 0,025657715 0,000000 9 18420,10605 0,026659978 1,146560 10 14202,13996 0,028410681 1,110673 N. DE DATO RE f VELOCIDAD MEDIA 1 42944,2355 0,041362608 2,761494 2 25857,5356 0,042132299 2,736154 3 35486,2302 0,041610918 2,428132 4 27699,8442 0,042005845 1,582095 5 22622,0149 0,042401391 1,574699 6 22402,8317 0,042422271 0,908929 7 11870,2926 0,044246123 0,000000 8 12523,3617 0,044051758 0,630711 9 11138,9333 0,044488294 0,627609 10 3512,6828 0,05173121 1,301429

Tabla 8. Calculo velocidad media Tubería Lisa.

Tabla 9. Calculo velocidad media Tubería Rugosa.

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d) Número de Reynolds y diga qué tipo de flujo es. N. DE DATO RE TIPO DE FLUJO 1 38102,3009 TURBULENTO 2 45058,41327 TURBULENTO 3 40677,7342 TURBULENTO 4 31628,47583 TURBULENTO 5 28845,66837 TURBULENTO 6 28698,06397 TURBULENTO 7 23651,11867 TURBULENTO 8 21641,35612 TURBULENTO 9 18420,10605 TURBULENTO 10 14202,13996 TURBULENTO N. DE DATO RE TIPO DE FLUJO 1 42944,2355 TURBULENTO 2 25857,5356 TURBULENTO 3 35486,2302 TURBULENTO 4 27699,8442 TURBULENTO 5 22622,0149 TURBULENTO 6 22402,8317 TURBULENTO 7 11870,2926 TURBULENTO 8 12523,3617 TURBULENTO 9 11138,9333 TURBULENTO 10 3512,6828 TRANCISIONAL

El flujo en color amarillo, no se tiene en cuenta para efectos de graficación ya que genera errores durante la presentación de resultados.

Tabla 10. Reynolds Tubería Lisa.

Tabla 11. Reynolds Tubería Rugosa.

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2. De la ecuación de Darcy calcule el coeficiente de fricción (f)

El factor de fricción asumido para los cálculos de este do cumento corresponde a los valores generado a partir de las hojas de cálculo en Excel (FACTOR-NEWTON). Además, los resultados se pueden apreciar en: Tabla 8 y Tabla 9.

3. Dibuje en papel milimetrado y papel logarítmico la variación del gradiente hidráulico con la velocidad media.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.1 1

Gradiente vs Velocidad Media - Tuberia Lisa

Grafico 1. Gradiente hidráulico vs Velocidad Media – Tubería Lisa.

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4. De la gráfica anterior identifique las diferentes zonas que se presentan (laminar, transición, turbulento).

Los datos recogidos durante la práctica no evidenciaron ningún tipo de régimen diferente al turbulento, por ello, no se logra señalar algún cambio circunstancial en las gráficas generadas en el punto 3 de la guía.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Gradiente vs Velocidad Media - Tub. Rugosa

Grafico 2. Gradiente hidráulico vs Velocidad Media – Tubería Rugosa.

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5. Conociendo la relación del gradiente hidráulico (hf/L = CV^n) con la velocidad, determine C y n de la ecuación por mínimos cuadrados, para cada zona identificada.

6. Conociendo el coeficiente de Darcy que es proporcional al número de Reynolds elevado a un exponente adecuado, de termine C y n de la ecuación f=CIR^n. Compare las ecuaciones encontradas con las teóricas, correspondientes para flujo laminar y flujo turbulento.

7. Para cada caudal, calcule el coeficiente de fricción (f) a partir de las ecuaciones teóricas y calcule el porcentaje de error en las pérdidas de energía calculadas a partir de estos datos, con referencia a los tomados experimentalmente.

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N. DE DATO f Error 1 0,0226464 0,3% 2 0,0217166 0,3% 3 0,0222791 0,1% 4 0,0237256 0,9% 5 0,0242782 1,1% 6 0,0243093 1,1% 7 0,0255137 1,5% 8 0,0260865 1,7% 9 0,0271590 1,9% 10 0,0289833 2,0% PROMED 1,1% N. DE DATO f Error 1 0,0219791 2,7% 2 0,0249511 14,6% 3 0,0230527 3,6% 4 0,0245255 4,3% 5 0,0257990 7,4% 6 0,0258619 7,6% 7 0,0303125 20,6% 8 0,0299093 16,6% 9 0,0307982 15,5% PROMED 10,3%

Al hallar el porcentaje de Error en el factor de fricción entre los datos calculados por el método de Newton y el de Darcy, se obtiene que: Para tubería lisa hay una media en el porcentaje de error del 1,1% y para la rugosa un valor del 10,3%. Esto indica que para calcular el factor de fricción en una tubería rugosa es mucho más complejo que en una lisa.

Tabla 12. Porcentaje de error en el factor de fricción – Tubería Lisa.

Tabla 13. Porcentaje de error en el factor de fricción –_{Tubería Rugosa.}

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7. CONCLUSIONES

 Determinar en qué tipo de tuberías se producen la mayor cantidad de

perdidas, le permite al diseñador escoger la más optima y económica para ser implementada en una obra civil, de ahí que el PVC, sea el mejor material para crear redes de distribución de agua potable.

 El factor de fricción determinado por tablas en comparación al calculado por

la fórmula de Darcy en tuberías lisa, casi no hay error con respecto al original a diferencia de las tuberías rugosas como es la de hierro galvanizado, al pareces los resultados arrojan que el factor de fricción puede variar mucho con respecto al original.

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8. BIBLIOGRAFÍA

PAULO, NARVAEZ- REVISTA INGENIERIA E INVESTIGACIÓN. (2000). ECUACINES DE FLUJO PARA LIQUIDOS: DESARROLLO HISTORICO Y CARACTERISTICAS FUNDAMENTALES. Recuperado el 28 de 10 de 2017, de file:///D:/Users/Diana%20Marcela/Downloads/21313-302797-1-PB.pdf