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Resumen
Se realizaron una serie de experimentos en sistemas hidráulicos, con motivo de hacer notar los cambios de presión que existen entre ellos.
Para lograr esto, se utilizaron diferentes materiales para las diferentes tuberías, (PVC, acero, cobre, CPVC de diferentes medidas), a estas se les agregaron algunos accesorios como válvulas o codos, para identificar cómo influyen en el flujo de un fluido en este caso agua y a su vez como esto afecta al cambio de presiones.
Introduccion
Es aquella acción de una fuerza sobre unidad de superficie, y se mide en kg/m^2. La presión hidrostática es aquella que está determinada por la diferencia de nivel entre la posición del plano considerado, con respecto a otro como referencia, multiplicado por el peso específico del líquido, y el caudal es la cantidad de fluido que pasa a través de una sección por unidad de tiempo.
El movimiento del fluido, en este caso agua, puede darse por un movimiento laminar o turbulento y el cual con un parametro llamado Reynolds nos ayuda a identificar qué tipo de movimiento se tiene en una tubería.
Los accesorios de las tuberías son el conjunto de piezas modeladas o mecanizadas que unidas a los tubos mediante un procedimiento determinado, forman líneas estructurales de tuberías en una planta o proceso.
Tipos de accesorios: bridas, codos, reducciones, cuellos o acoples, válvulas, empacaduras, tornillos y niples.
Las características de una tubería: tipo, tamaño, aleación, resistencia, espesor y dimensión.
A traves de estos la pérdida de presión en tuberías sólo se produce cuando el fluido está en movimiento (cuando hay circulación).
Cuando dos o más tuberías están en paralelo, el caudal es la suma de los caudales individuales, pero la diferencia de altura entre los extremos (la pérdida de carga) es la misma para todos.
En el flujo interno, una tubería está totalmente llena con un fluido. El flujo laminar se caracteriza por líneas de corriente suaves y movimiento enormemente ordenado, y el flujo turbulento se caracteriza por fluctuaciones de velocidad y movimiento enormemente desordenado.
En la mayoría de las condiciones prácticas, el flujo en una tubería es laminar a Re < 2 300, turbulento a Re > 4 000 y transicional entre estos valores.
Velocidad Promedio
Velocidad Promedio
Debido a que la velocidad de un fluido en las tuberías va de 0 en la pared a una V max en el centro, entonces se calcula la velocidad promedio, la cual permanecerá constante en flujo incompresible cuando el área transversal es constante. (Q=A*V)
Número de Reynolds
Número de Reynolds
Osborne Reynolds en 1880 descubrió que el régimen de un flujo depende principalmente de la razón de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido. La transición de flujo laminar a turbulento depende de la superficie y el tipo de fluido entre otros factores.
*En un tubo circular L seria el D, en un tubo de otra geometría L sería el D hidráulico.
El número de Reynolds en donde el flujo se vuelve turbulento se llama Número de Reynolds crítico, y este debe ser igual o mayor que 2300.
La transición de flujo laminar a turbulento también depende del grado de perturbación del flujo por la rugosidad de la superficie, las vibraciones de la tubería y las fluctuaciones en el flujo.
* En una tubería circular lisa, cuando se evitan las perturbaciones del fluido y las vibraciones, el flujo laminar se puede mantener hasta con un número de Reynolds igual a 100,000
Factor de Fricción
Factor de Fricción
Mediante la ecuación de Filonenko se puede obtener de manera teórica el factor de fricción, siempre y cuando las tuberías sean hidráulicamente lisas .
Un interés considerable en el análisis de flujo de tuberías es el que causa la caida de presion, ya que esta directamente relacionados con la potencia necesaria para que una bomba mantenga el flujo.
La pérdida de presión cuando un fluido fluye a través de una tubería de diámetro uniforme D y longitud L con una V promedio, para todos los tipos de fluidos internos totalmente desarrollados.
Ecuación de la presión estatica
Donde γ es el peso específico del fluido y h la carga estática.
Dicha presión se ejerce en todas direcciones, para poderla medir se requieren piezómetros o medidores de presión que son columnas de agua con una superficie en contacto con la atmósfera, entonces la altura estará dada por dicha carga
(Levi,1996)
Caída de presión y pérdidas por fricción en un flujo laminar
Cuando un fluido fluye por una tubería con flujo laminar en estado estacionario, la ecuación expresa el esfuerzo cortante para un fluido newtoniano, y esta ecuación puede reescribirse para variaciones de radio dr, en vez de la distancia dy, como sigue:(Geankopolis, 2007).
Ecuación de Poiseuille
Con esta expresión y llevando a cabo un balance de momento lineal en el recinto del fluido en un recinto cilíndrico, se obtiene la ecuación de Hagen-Poiseuille, ecuación , para el flujo laminar de un líquido en tubos circulares.
Donde p1 es la presión corriente arriba en el punto 1, N/m2; p2 es la presión en el punto 2; v es la velocidad promedio en el tubo, m/s; D es el diámetro interno, m; y (L2 - Ll) o M es la longitud de tubo recto (Geankopolis, 2007)
El fluido en un sistema de tubería típico pasa a través de varias uniones, válvulas, flexiones, codos, ramificaciones en forma de letra T, entradas, salidas, ensanchamientos y contracciones además de los tubos. Dichos accesorios interrumpen el suave flujo del fluido y provocan pérdidas adicionales debido al fenómeno de separación y mezcla del flujo que producen.
Las pérdidas menores se expresan en términos del coeficiente de pérdida KL (también llamado coeficiente de resistencia), que se define como:
Cuando está disponible el coeficiente de pérdida para un accesorio, la pérdida de carga para este accesorio se determina a partir de:
En general, el coeficiente de pérdida depende de la geometría del accesorio y del número de Reynolds, tal como del factor de fricción. Sin embargo, usualmente se supone que es independiente del número de Reynolds.
Esta es una solución razonable porque, en la práctica, la mayoría de los flujos tienen números de Reynolds grandes y los coeficientes de pérdida (que incluyen el factor de fricción) tienden a ser independientes del número de Reynolds a números de Reynolds grandes.Las pérdidas menores también se expresan en términos de la longitud equivalente, que se define como:
Objetivos
General:
General:
Determinar las pérdidas de carga de un sistema hidráulico experimental de tuberías y accesorios, demostrando los conceptos teóricos.
Particulares:
Particulares:
Describir las principales partes del sistema hidráulico experimental de tuberías y accesorios manejando el equipo correspondiente apreciando la importancia de este.
Determinar teóricamente y experimentalmente la pérdida diferencial y la velocidad de flujo utilizando las correlaciones apropiadas.
Determinar la velocidad de flujo en el sistema hidráulico.
Materiales
Descripcion del sistema
El sistema está constituido por una serie de tuberías de distintos diámetros, tamaños, alturas y materiales. Cada sistema está compuesto por diferentes accesorios (Gunt Hamburg) como codos o válvulas.
El sistema es alimentado por agua, la cual es bombeada desde un barril, esta agua entra al sistema por medio de mangueras conectadas a la bomba sumergible.
El equipo también cuenta con un manómetro diferencial, que es conectado por medio de mangueras a los puntos de toma de presión de cada tubería. El sistema se muestra en la imagen 1 .
Imagen 1. Sistema Hidráulico.
Tabla 1. Partes del sistema hidráulico.
Metodologia Experimental
Resultados
En la tabla R.1 se enlistan:
- D Ext: Diámetro exterior
- D Inter: Diámetro interior, el cual fué tomado según la norma ISO 6708, la cual es el estándar de diámetro nominal para los sistemas hidráulicos.
- L: longitud de la tubería
- h: Altura de la tubería
- t: tiempo
Tabla R.1 Características de cada tramo
Tabla R.2 Características y Propiedades del agua de cada tramo.
* Las propiedades se obtuvieron de la tabla A-9 del libro Cengel a T ambiente
* Las propiedades se obtuvieron de la tabla A-9 del libro Cengel a T ambiente
Tabla R.4 Diferencia de presiones y perdida de presion experimental cada tramo
Discusion
Para que un sistema hidráulico funcione, es necesario que exista una diferencia de presión en el sistema, esta diferencia puede ser expresada por un cambio de altura o simplemente por una bomba hidráulica (Mott, 1996).
Al no existir un cambio de alturas en el sistema, se utilizó una bomba hidráulica para generar movimiento en el fluido del sistema, para aplicar una presión inicial; el caudal o flujo volumétrico generado por dichas bombas se vio afectado por el material de los tubos y por los accesorios empleados,( tabla R.2).
Cualquier obstáculo en la tubería cambia la dirección de la corriente total o parcialmente produciendo una pérdida de presión. (Anaya, 2014) Esto provoca diferencia de presiones en el fluido que se encuentra en la tubería, por lo que se debe tomar en cuenta un coeficiente de fricción adecuado, tomando en cuenta el régimen del fluido (laminar, transitorio o turbulento), por lo que se utilizó la ecuación de filonenko, la cual es válida siempre y cuando la tubería sea lisa, y según la tabla 8.2 del libro cengel, el plástico es un material liso, A diferencia del Acero galvanizado y el cobre los cuales tienen una rugosidad de 0.15 y 0.0015 mm respectivamente.
Sin embargo al hacer la pérdida de carga el porcentaje de error es mucho mayor del 5%, como se muestra en la tabla R.4, lo que indica que algún dato sobre todo la parte de fuerza de fricción deben estar erróneos, o bien el régimen debe ser transitorio.
Conclusion
Conclusion
Con los márgenes de error tan grandes se puede afirmar que los resultados no son confiables, esto es debido a varios factores, entre ellos el régimen del fluido,Las fallas mecánicas, por ejemplo una mala conexión entre tuberías y tubos de alimentación, fugas del fluido, mala medición del coeficiente de fricción en las tuberías, la limpieza de las mismas tuberías provocando sarro y este a su vez provocando rugosidad en la tubería; y otros factores teóricos por ejemplo los valores de los diámetros internos erróneos, entre otros factores. Para poder garantizar resultados mejores, se recomienda el mantenimiento en las tuberías y bombas de agua, utilizar instrumentos más precisos para la medición de las tuberías y flujos, tener el diámetro interno de la tubería entre la información proporcionada del equipo, hacer las conexiones adecuadas, utilizando cinta telón para asegurar una conexión más estable y con menos pérdidas, evitar las fugas del fluido en mangueras dándoles mantenimiento o cambiándolas.
Anexos
Tabla A.3 Coeficientes de pérdida de varios accesorios de tubería para flujo turbulento.
Tabla A. 4 Coeficientes de pérdida de varios accesorios de tubería para flujo turbulento
Referencias
- Anaya, A.I; Cauich, G.I; Funabazama, O; Garcia, V.A (2014) Evaluación de ecuaciones de factor de fricción explícito para tuberías. Educación química, 25(2), 128-134.
- Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E. N., Transport Phenomena, 2a Ed., John Wiley & Sons, Inc. U.S.A. (2002)
- Çengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2012). Mecánica de fluidos: Fundamentos y aplicaciones / Yunus A. Çengel y John M. Cimbala (2a. ed.--.). México D.F.: McGraw Hill, Cap 8 Flujo en tuberías.
- EN ISO 6708:1996. Componentes de canalizaciones. Definición y selección de DN (diámetro nominal). (ISO 6708:1995).1996-05-23 /Vigente. Recuperado 20/03/2020 de: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:6708:ed-2:v1:en
- MOTT, Robert L.(1996) Mecánica de fluidos aplicada. México: Prentice-Hall, 1996. pág 583
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