Guía de Experimentos del Laboratorio de Operaciones Unitarias

Ing° MANUEL JOSÉ JIMENEZ ESCOBEDO

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CUBA DE REYNOLDS

1. TEMA Las características que condicionan el flujo de fluidos a través de tuberías

dependen de las propiedades del líquido y de la estructura interna del flujo. Conforme aumenta el flujo másico aumentan las fuerzas de inercia, las cuales son contrarrestadas por la fricción dentro del líquido que fluye. Cuando estas fuerzas opuestas alcanzan un cierto equilibrio se producen cambios en las características del flujo, generándose los régimenes de flujo universalmente aceptados: flujo laminar, transicional y turbulento.

En base a los experimentos realizados por Osborne Reynolds en 1883, se concluyó que las fuerzas inerciales son función de la densidad, del diámetro de la tubería y de la velocidad media del fluido. Además, las fuerzas viscosas dependen de la viscosidad del líquido.

2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General

Verificar que la naturaleza de un flujo dado, para un fluido incompresible, se caracteriza por su número de Reynolds

2.2 Objetivos Específicos

Visualizar experimentalmente los diferentes regímenes de flujo, para un fluido que se desplaza a través de una tubería.

Calcular el número de Reynolds, y comprobar las diferencias cualitativas y cuantitativas, para un régimen de flujo dado y sujeto a diferentes condiciones experimentales.

Calcular las fuerzas hidrostáticas que soporta la cuba de Reynolds utilizada en la experimentación

3. ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

Realice una adecuada investigación bibliográfica, y defina en forma breve los conceptos siguientes: 3.1 Fundamentos de la capa límite. Líneas de corriente. Flujo Poiseuille. 3.2 Esfuerzo cortante. Fuerza de arrastre. 3.3 Flujo laminar, flujo transicional y flujo turbulento. 3.4 Longitud de entrada. Perfil de velocidades. 3.5 Número de Reynolds. Número de Reynolds crítico. 3.6 Fuerzas hidrostáticas sobre superficies planas y curvas. Centro de Presión.

4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA Se procederá a desarrollar el experimento clásico de Reynolds, flujo de agua en tubo de vidrio, utilizando colorante para observar su comportamiento a diferentes velocidades a través del ducto. Duración del experimento: 2 horas aproximadamente.

Equipos y materiales.- se debe disponer de: 1) una cuba de Reynolds, de vidrio y equipada con accesorios; 2) equipo inyector de colorante; 3) fuente de agua limpia; 4) probeta graduada; 5) cronómetro; 6) termómetro; 7) recipientes de plástico, varios.

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Figura 1. Cuba experimental de Reynolds

Procedimiento experimental.-

4.2.1 Estudiar ubicación de las válvulas (establecer escalas de abertura: 10, 20, …, 90 y 100%), y familiarícese con la operación del equipo.

4.2.2 Comenzar abriendo la válvula V-1 para llenar la cuba con agua, hasta una altura H que debe mantenerse constante durante el trabajo experimental (según dimensiones de la cuba y la resistencia que ésta pueda ofrecer).

4.2.3 Abrir parcialmente la válvula V-2, coordinadamente con la válvula V-1, para mantener la altura H constante. Establecido el régimen de flujo, medir la temperatura del fluido, y registrar un número adecuado de datos de caudal.

4.2.4 Abrir la válvula V-3, regulando la inyección del tinte, para observar la naturaleza cualitativa de la línea coloreada del flujo de fluido en tubo de vidrio, debe registrar la observación.

4.2.5 Repetir el procedimiento, desde 4.2.3, para cada una de las escalas de abertura establecidas para la válvula V-2.

Terminado el trabajo experimental, realizar limpieza general del equipo.

4.3 Datos por consignar.-

4.3.1 Sobre la cuba de Reynolds: a) Dimensiones físicas, internas y externas.

b) Diámetro y longitud, del tubo de vidrio.

c) Tipo de material, y accesorios utilizados.

d) Tipo de tinte utilizado.

4.3.2 Mediciones del caudal: a) Altura H, del fluido contenido en la cuba.

b) Lectura del volumen de agua recolectada.

c) Lectura del tiempo empleado para recoger volumen de agua.

d) Temperatura del agua, y temperatura ambiente del laboratorio.

e) Tipo de flujo cualitativo observado, en tubo de vidrio.

V-3

Tinte

Fuente de agua

V-2

V-1

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Se sugiere utilizar la siguiente planilla para registro de datos experimentales:

Fluido de trabajo: Altura H (cm):

Dato abertura volumen tiempo Caudal Temperatura Tipo de flujo

Nº V-2 (%) fluido (ml) (seg) Q = v/t Fluido (ºC) observado

1

10

v1 v2 v3 v4 v5

t1 t2 t3 t4 t5

<Q1>

T1

Laminar

… … … … … … ¿…?

n

100

v1 v2 v3 v4 v5

t1 t2 t3 t4 t5

<Qn>

Tn

¿…?

5. ACTIVIDADES DE VALUACIÓN

5.1 Cálculos por efectuar.- 5.1.1 Calcular el flujo másico <mº>, velocidad promedio de flujo <V>, y el

número de Reynolds Re, en función de los valores experimentales del caudal promedio <Q>. Interpretar los resultados frente al tipo de flujo observado.

5.1.2 Correlacionar, de acuerdo al modelo teórico, los datos experimentales de Re vs. Q, Re vs. <V>, Re vs. <mº>. Interpretar los resultados obtenidos.

5.1.3 Determinar y calcular las respectivas fuerzas hidrostáticas que actúan sobre la cuba. Evaluar el centro de masa y centro de presiones.

5.2 Gráficos sobre los cuales informar.- Utilice distintos juegos de símbolos para representar los diferentes valores experimentales y teóricos calculados. Analizar e interpretar el significado de los gráficos: Re vs. Q, Re vs. <mº>, Re vs. <V>, respectivamente.

5.3 Cuestionario 5.3.1 ¿Qué sucedería si el nivel H, de agua utilizada, no permanece

constante?

5.3.2 ¿Qué sucedería si la longitud del tubo utilizado se reduce a la mitad? ¿Si la longitud aumenta al doble? Fundamentar su respuesta.

5.3.3 ¿Qué sucedería si el diámetro del tubo utilizado se reduce a la mitad? ¿Si el diámetro aumenta al doble? Fundamentar su respuesta.

5.3.4 ¿Qué efectos tendría el uso de un fluido más viscoso, y menos viscoso?

5.3.5 ¿Qué efectos tendría el uso de un fluido más denso, y menos denso?

5.3.6 Explicar si la naturaleza del tinte utilizado influye en el experimento. DESARROLLO DEL

TRABAJO DE LABORATORIO

Fecha :

____________ V° B° Profesor

PRESENTACION DEL INFORME DE LABORATORIO

Fecha :

_____________ V° B° Profesor

SUSTENTACION DEL INFORME DE LABORATORIO

Fecha :

_____________ V° B° Profesor