1. U.N.A.M.
Facultad de Estudios Superiores de Aragón.
Laboratorio de Mecánica de Fluidos.
Práctica numero 9: “Pérdidas primarias.”
Alumno: Fernández Cano Veronico David Ricardo.
Número de cuenta: 41205778-6.
Fecha de realización: 22/04/2014.
Fecha de entrega: 29/04/2014.
Calificación:
Práctica numero 9.
Perdidas primarias.
Objetivo.
2. Determinar la pérdida de carga experimental y teórica entre dos puntos de una tubería
separados a cierta distancia, sin que exista entre ellos ningún accesorio (elemento
singular).
Introducción.
PERDIDAS PRIMARIAS.
Las pérdidas de carga en las tuberías se dividen en 2 clases: pérdidas primarias y
pérdidas secundarias.
Las perdidas primarias son las pérdidas que genera la superficie en contacto con el fluido
en la tubería, rozamiento de unas capas de fluido con otras (régimen laminar) o de las
partículas de fluido entre sí (régimen turbulento). Tienen lugar en un flujo uniforme y el
comportamiento de los fluidos dentro de la tubería, generalmente resulta ser turbulento.
Estas pérdidas se producen cuando el fluido se pone en contacto con la superficie de la
tubería. Estas pérdidas se realizan solo en tramos de tuberías horizontal y de diámetro
constante.
A medida que el fluido fluye por estos conductos, ocurren pérdidas de energía debido a la
fricción; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos
puntos del sistema de flujo.
PERDIDAS SECUNDARIAS.
Se producen en transiciones de la tubería (estrechamiento o expansión) y en toda clase
de accesorios (válvulas, codos). En el cálculo de las pérdidas de carga en tuberías son
importantes dos factores:
- Que la tubería sea lisa o rugosa.
- Que el fluido sea laminar o turbulento.
Las pérdidas secundarias también son conocidas como pérdidas de carga singular, son
las pérdidas de forma, que tienen lugar en las transiciones (angostamientos,
ensanchamientos, etc.), elementos de medición y toda clase de accesorios y elementos
adicionales de las tuberías.
ECUACION DE DARCY-WEISBACH.
La ecuación de Darcy-Weisbaches una ecuación ampliamente usada en hidráulica.
Permite el cálculo de la pérdida de cargadebida a la friccióndentro una tubería.La
ecuación fue inicialmente una variante de la ecuación de Prony, desarrollada por Henry
Darcy. Fue refinada por JuliusWeisbach, hasta la forma en que se conoce actualmente:
ℎ 𝑓 = 𝑓 ∙
𝐿
𝐷
∙
𝑣2
2𝑔
3. ℎ 𝑓: 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 [𝑚].
𝑓: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝐷𝑎𝑟𝑐𝑦 𝑜 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 [𝑚].
𝐿
𝐷
: 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑦 𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎.
𝑣: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 [𝑚/𝑠𝑒𝑔].
𝑔: 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑠 𝑐𝑡𝑒 [𝑚/𝑠𝑒𝑔2
].
El factor de fricción 𝑓varía de acuerdo a los parámetros de la tubería y la velocidad del
flujo, y puede ser conocido con una gran exactitud dentro de ciertos regímenes de flujo.
Sin embargo, los datos acerca de su variación con la velocidad eran inicialmente
desconocidos,por lo que esta ecuación fue inicialmente superada en muchos casos por la
ecuación empírica de Prony.Años más tarde se evitó su uso en diversos casos especiales
en favor de otras ecuaciones empíricas, principalmente la ecuación de Hazen-Williams,
ecuaciones que, en la mayoría de los casos, eran significativamente más fáciles de
calcular.
Para calcular las pérdidas de energía por fricción en una tubería puede utilizarse la
expresión racional de Darcy-Weisbach:
Si el flujo es laminar 𝑓 = 64/𝑅𝑒
DETERMINACIÓN DE LA RUGOSIDAD EN LA TUBERÍA.
Una diferencia fundamental entre flujo laminar y turbulento es que el esfuerzo cortante
para flujo turbulento es función de la densidad del fluido, r. Para flujo laminar, el esfuerzo
cortante es independiente de la densidad, dejando a la viscosidad m, como la única
propiedad importante del fluido. De esta manera, la caída de presiónD 𝑝, para flujo
turbulento incompresible estable en una tubería redonda horizontal de diámetro D se
puede escribir en forma funcional como:
D 𝑝 = 𝐹(𝑣, 𝐷, 𝐿, e, m, r)
Donde 𝑣 es la velocidad media, L es la longitud de la tubería y e es una medida de la
rugosidad de la pared de la tubería. La dependencia de D 𝑝 con respecto a las
propiedades m y r del fluido es de esperar debido a la dependencia de t con respecto a
estos parámetros.
Experimentalmente se ha demostrado que otros parámetros como la tensión superficial, la
presión de vapor etc. no afectan la caída de presión para las condiciones establecidas de
fluido incompresible estable y tubería redonda horizontal.
Esta representación funcional se puede representar imponiendo la hipótesis razonable de
que la caída de presión debe ser proporcional a la longitud de la tubería. La cantidad
D 𝑝 𝐷/(1/2)𝑙r 𝑣2se denomina factor de fricción 𝑓.
4. En tuberías rugosas el término e/𝐷 se conoce como rugosidad relativa.
No es fácil determinar la dependencia funcional del factor de fricción con respecto al
número de Reynolds y la rugosidad relativa. Mucho de esta información es resultado de
experimentos efectuados por J.Nikuradse. Una dificultad radica en la determinación de la
rugosidad de la tubería. Nikuradse usó tubos artificiales rugosos al pegar granos de arena
de tamaño conocido en las paredes de la tubería a fin de obtener tubos con superficies
semejantes al papel para lijar. Se midió la caída de presión necesaria para obtener un
caudal deseado y los datos se convirtieron en el factor de fricción para el número de
Reynolds y la rugosidad relativa correspondientes. Las pruebas se repitieron varias veces
para un amplio intervalo de 𝑅𝑒 y e/𝐷 a fin de determinar la dependencia:
𝑓 = 𝐹( f 𝑅𝑒 , e/𝐷)
En tubos que se pueden adquirir en el mercado, la rugosidad no es uniforme ni está bien
definida como en los tubos artificiales rugosos usados por Nikuradse. Sin embargo es
posible obtener una medida de la rugosidad relativa efectiva de tubos comunes y así
obtener el factor de fricción.
Dibujo de práctica.
5. Procedimiento.
1. Identifique el equipo y realice un dibujo del mismo.
2. Con ayuda del fluxómetro, mida y registre en la tabla 1 de lecturas la longitud de la
tubería para cada sección de trabajo de la instalación.
3. Numerar los tramos de la tubería y los respectivos manómetros diferenciales.
4. Practicar antes de experimentar, el números de vueltas que tiene la válvula de
compuerta, desde totalmente abierta hasta totalmente cerrada, para que al momento
de efectuar la prueba, el rango de esta válvula sea igualmente dividido en un mínimo
de cuatro aberturas evitando el cierre total, condición al a cual no se obtiene
resultados. Iniciar la prueba con la válvula totalmente abierta.
5. Energizar el motor del turbosoplador y esperar aproximadamente como un minuto,
para que este alcance su velocidadde operación,nunca opere el equipo si la válvula se
encuentra totalmente cerrada.
6. Registre en la tabla de lecturas 1, la presión dinámica al final de la tubería, mediante el
tubo de Prandtl, procurando que la parte horizontal del mismo este paralela las líneas
de flujo en la descarga y al centro del mismo.
7. Registrar las lecturas que marcan los manómetros diferenciales a lo largo de todo el
recorrido en la tabla de lecturas 1.
8. Gire la válvula de la compuerta ¼ en dirección de cierre.
9. Repita los pasos 6 al 8, para los siguientes rangos de abertura de la válvula.
6. 10. Apague el turbosoplador y abra totalmente la válvula.
Tablas de lecturas.
Abertura de la
válvula
Diámetro de la tubería: 2 in Tubo
de
Prandtl
Primer
tramo
Segundo
tramo
Tercer
tramo
Cuarto
tramo
Quinto
tramo
Longitud (cm) 122 82 363 45 669.5
Variables (cm) ΔHi ΔHf ΔHi ΔHf ΔHi ΔHf ΔHi ΔHf ΔHi ΔH
f
ΔH
Completament
e abierta
27 23.
5
22.
7
24.
5
24.
5
21 20.5 18 18 13 2
Abierta (3/4) 28.5 26.
3
28.
5
27.
5
28 27.2 26.5 25.5 26 23 2
Abierta (1/2) 28 26 26.
5
26.
5
29 24 23 21.5 21.5 18 2
Temperatura del aire (℃)=25 Temperatura del agua (℃)=28
Memoria de cálculos.
Calculo de la energía por fricción experimental para el primer tramo.
ℎ 𝑓1 = .27𝑚 − .235𝑚 = .035𝑚
ℎ 𝑓2 = .285𝑚 − .263𝑚 = .022𝑚
ℎ 𝑓3 = .28𝑚 − .26𝑚 = .02𝑚
Calculo de la energía por fricción experimental para el segundo tramo.
ℎ 𝑓1 = .227𝑚 − .245𝑚 = .018𝑚
ℎ 𝑓2 = .285𝑚 − .275𝑚 = .01𝑚
ℎ 𝑓3 = .265𝑚 − .265𝑚 = 0𝑚
Calculo de la energía por fricción experimental para el tercer tramo.
ℎ 𝑓1 = .245𝑚 − .21𝑚 = .035𝑚
ℎ 𝑓2 = .28𝑚 − .272𝑚 = .008𝑚
ℎ 𝑓3 = .29𝑚 − .24𝑚 = .05𝑚
Calculo de la energía por fricción experimental para el cuarto tramo.
ℎ 𝑓1 = .205𝑚 − .18𝑚 = .025𝑚
7. ℎ 𝑓2 = .265𝑚 − .255𝑚 = .01𝑚
ℎ 𝑓3 = .23𝑚 − .215𝑚 = .015𝑚
Calculo de la energía por fricción experimental para el quinto tramo.
ℎ 𝑓1 = .18𝑚 − .13𝑚 = .05𝑚
ℎ 𝑓2 = .26𝑚 − .23𝑚 = .03𝑚
ℎ 𝑓3 = .215𝑚 − .18𝑚 = .035𝑚
Pérdida total de la energía por fricción para cada tramo.
ℎ 𝑓1 = ∑ ℎ 𝑓𝑖 =
3
𝑖=1
0.077𝑚
ℎ 𝑓2 = ∑ ℎ 𝑓𝑖 =
3
𝑖=1
0.028𝑚
ℎ 𝑓3 = ∑ ℎ 𝑓𝑖 =
3
𝑖=1
0.093𝑚
ℎ 𝑓4 = ∑ ℎ 𝑓𝑖 =
3
𝑖=1
0.05𝑚
ℎ 𝑓5 = ∑ ℎ 𝑓𝑖 =
3
𝑖=1
0.115𝑚
Según la información de la tablas 2 y 3, se tiene:
𝜌 𝐻2 𝑂 = 997𝑘𝑔/𝑚3
𝜌 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1.164𝑘𝑔/𝑚3
Perdidas por fricción del aire en cada parte de la tubería.
ℎ 𝑎1 =
(997𝑘𝑔/𝑚3
)(0.077𝑚)
1.164𝑘𝑔/𝑚3
= 65.95274914𝑚
ℎ 𝑎2 =
(997𝑘𝑔/𝑚3
)(0.028𝑚)
1.164𝑘𝑔/𝑚3
= 23.98281787𝑚
ℎ 𝑎3 =
(997𝑘𝑔/𝑚3
)(0.093𝑚)
1.164𝑘𝑔/𝑚3
= 79.65721649𝑚
ℎ 𝑎4 =
(997𝑘𝑔/𝑚3
)(0.05𝑚)
1.164𝑘𝑔/𝑚3
= 42.82646048𝑚
ℎ 𝑎5 =
(997𝑘𝑔/𝑚3
)(0.115𝑚)
1.164𝑘𝑔/𝑚3
= 98.50085911𝑚
Pérdida total de la energía por fricción del aire.
8. ℎ 𝑎𝑇 = ∑ ℎ𝑎𝑖 =
5
𝑖=1
310.9201031𝑚
Velocidad media del aire para cada sección de la tubería.
𝑣 𝑎1 = √
2(9.7𝑚/𝑠𝑒𝑔2)(65.95274914𝑚)(9770 − 11.42)𝑁/𝑚3
11.42𝑁/𝑚3
= 1045.6289𝑚/𝑠𝑒𝑔
𝑣 𝑎2 = √
2(9.7𝑚/𝑠𝑒𝑔2)(23.98281787𝑚)(9770 − 11.42)𝑁/𝑚3
11.42𝑁/𝑚3
= 630.5379509𝑚/𝑠𝑒𝑔
𝑣 𝑎3 = √
2(9.7𝑚/𝑠𝑒𝑔2)(79.65721649𝑚)(9770 − 11.42)𝑁/𝑚3
11.42𝑁/𝑚3
= 1149.141978𝑚/𝑠𝑒𝑔
𝑣 𝑎4 = √
2(9.7𝑚/𝑠𝑒𝑔2)(42.82646048𝑚)(9770 − 11.42)𝑁/𝑚3
11.42𝑁/𝑚3
= 842.5917792𝑚/𝑠𝑒𝑔
𝑣 𝑎5 = √
2(9.7𝑚/𝑠𝑒𝑔2)(98.50085911𝑚)(9770 − 11.42)𝑁/𝑚3
11.42𝑁/𝑚3
= 1277.853702𝑚/𝑠𝑒𝑔
Velocidad promedio.
∑ 𝑣 𝑎𝑖
5
𝑖=1
5
= 989.150862𝑚/𝑠𝑒𝑔
Rugosidad relativa del acero galvanizado según tabla de rugosidades absolutas.
𝜀
𝐷
=
. 00015𝑚
. 0508𝑚
= 2.95 × 10−3
Calculo del número de Reynolds.
𝑅𝑒 =
(989.150862𝑚/𝑠𝑒𝑔)(.0508𝑚)(1.164𝑘𝑔/𝑚3
)
1.186 × 10−5 𝑃𝑎 ∙ 𝑠𝑒𝑔
= 4430544.979
∴ el factor de fricción de acuerdo al diagrama de Moody es
𝑓 = .027𝑚
Perdidas teóricas de energía por fricción, en cada sección de la tubería mediante la
ecuación de Darcy-Weisbach.
ℎ 𝐿1 =
(. 027𝑚)(1.22𝑚)(1045.6289𝑚/𝑠𝑒𝑔)2
2(.0508𝑚)(9.7𝑚/𝑠𝑒𝑔2)
= 36543.76661𝑚
10. Tablas de resultados.
Perdidas experimentales del agua y del aire.
Resultados de los cálculos teóricos.
Cuestionario.
1. Defina el concepto de capa limite y mencione la relación que tiene con las pérdidas
de energía por fricción.
Cuando se considera flujo turbulento es necesario incluir el parámetro de rugosidad en la
tubería, debido a que para flujo turbulento existe una subcapa viscosa relativamente
delgada formada en el fluido cerca de la pared de la tubería. Así, para flujo turbulento se
espera que la caída de presión sea función de la rugosidad de la pared. Los elementos de
rugosidades relativamente pequeñas tienen efectos completamente insignificantes sobre
el flujo laminar en tubos. Por supuesto, para tubos con rugosidad muy grande en la pared
como en tubos corrugados, el caudal puede ser función de la rugosidad.
2. Si en vez de aire se hace circular agua ¿Cómo serían los resultados?
Perdidas del agua
Sección de
la tubería
hf1 [m] hf2 [m] hf3 [m] hf4 [m] hf5 [m]
Perdidas 0.035 0.018 0.035 0.025 0.05
0.022 0.01 0.008 0.01 0.03
0.02 0 0.05 0.015 0.035
Total 0.077 0.028 0.093 0.05 0.115
Perdidas del aire
Sección de
la tubería
ha1 [m] ha2 [m] ha3 [m] ha4 [m] ha5 [m]
Perdidas 29.97852234 15.41752577 29.97852234 21.41323024 42.82646048
18.84364261 8.565292096 6.852233677 8.565292096 25.69587629
17.13058419 0 42.82646048 12.84793814 29.97852234
Total 65.95274914 23.98281787 79.65721649 42.82646048 98.50085911
Velocidad
media del aire
va1 [m/seg] va2 [m/seg] va3 [m/seg] va4 [m/seg] va5 [m/seg]
1045.6289 630.5379509 1149.141978 842.5917792 1277.853702
Perdidas de
energía
hl1 [m] hl2 [m] hl3 [m] hl4 [m] hl5 [m]
36543.76661 8931.710468 131326.4868 8752.76505 299509.8947
Gasto Q1 [m^3/seg] Q2 [m^3/seg] Q3 [m^3/seg] Q4 [m^3/seg] Q5 [m^3/seg]
2.119311935 1.277993182 2.329115339 1.707790225 2.589992113
11. Con forme el número de Reynolds se hace cada vez más pequeño el factor de fricción
aumenta, lo que hace que las pérdidas también aumenten.
3. ¿Cómo son las pérdidas de la energía por fricción en la corrienteturbulenta y en la
laminar?
En la corriente laminar el factor de fricción aumenta, y en la corriente turbulenta
disminuye y por consiguiente hay menos perdidas por fricción, como se puede observar
en el diagrama de Moody.
4. ¿Qué interpretación tiene la zona critica en el diagrama de Moody?
Que el coeficiente de fricción se va acercando cada vez más a la unidad y las pérdidas
son mayores.
5. ¿Dónde son las mayores pérdidas de energía por fricción en tubos de menor o mayor
diámetro y por qué?
Como se puede ver en la fórmula de Darcy-Weisbach, las pérdidas por fricción son
mayores en tuberías con menor diámetro debido a que el diámetro más pequeño genera
mayor rozamiento entre las paredes de la tubería y el fluido, por ello el diámetro se
encuentra en el denominador de esta fórmula.
6. ¿Qué ocurre en tubos capilares con el efecto de perdida por fricción?
La diferencia de presión P1-P2 entre los extremos del capilar es igual a la presión que
ejerce la altura h de la columna de fluido de densidad.
7. Resalte la importancia de evaluar las pérdidas de energía por fricción y mencione sus
aplicaciones en la práctica.
Un ejemplo de estas aplicaciones se da en la hidráulica y en ingeniería civil:determinar la
carga de presión disponible en algún punto del sistema de abastecimiento de agua. En
redes de distribución de agua, es necesario establecer cuál es la carga de presión en
puntos específicos de ella a fin de establecer si se satisfacen los requerimientos
normativos de la empresa operadora.
8. Investigue otros métodos para evaluar las pérdidas de energía por fricción.
Se puede ocupar también la ecuación de Hazen-Williams. Esta es una ecuación empírica
de extendido uso en el campo de la ingeniería civil para el cálculo de las pérdidas por
fricción en conducciones a presión. Surge, como una tendencia de, solventar lo complejo
que resultaba el cálculo de estas pérdidas con la ecuación de Darcy-Weisbach referida
anteriormente.
También está la ecuación de Manning que es la ecuación utilizada por excelencia en el
estudio del flujo a superficie libre (aquél en donde el flujo está abierto a la atmósfera,
como en el caso de canales y ríos).
12. 9. Explique el término de pérdidas de energía por fricción.
Son las pérdidas que sufre el caudal en ciertas tuberías de acuerdo con el rozamiento que
tiene el fluido en contacto con las paredes de la tubería.
Conclusiones.
En cuestión teórica de esta práctica resulto ser muy compleja, se puede ver que hay
varios métodos para calcular las pérdidas de energía por fricción en las tuberías, sin
embargo el más usado en la actualidad es la fórmula de Darcy-Weisbach ya que con
ayuda de las computadoras es más precisa y fácil de calcular.
Concluyo que lo más importante en la práctica acerca de los cálculos orientados para las
tuberías es conocer las pérdidas de energía mientras el fluido circula por la tubería, y para
el caso de las perdidas primarias se toman solo en cuenta las pérdidas originadas por la
fricción; y estos cálculos tienen aplicaciones en la ingeniería como por ejemplo: el
determinar el caudal conducido en un sistema, en el que se conoce la geometría, caso en
el que deseamos establecer cuál es la capacidad de una conducción de la que se
conocen todas las características geométricas (diámetro, longitud, elevaciones) y físicas
(acerca del material).
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