LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE TUBERÍAS Y CANALES

INSTRUCTOR: Ing. José Iván Pérez Sansores

PRACTICA 2:

“Tuberías en serie”

Grupo B - Equipo 2.1

Alumnos:

Delfín Doris

Hernández Fernanda

Pat David

Vázquez Cristian

Fecha de realización: MARTES 11 DE FEBRERO DE 2014

Fecha de entrega: MARTES 18 DE FEBRERO DE 2014

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN

ContenidoOBJETIVO:.......................................................................................................................................2

MATERIAL:......................................................................................................................................2

METODOLOGÍA:.............................................................................................................................3

PRINCIPIOS TEORICOS:..............................................................................................................3

DESARROLLO:...............................................................................................................................4

INFORME:......................................................................................................................................10

Tabla 1........................................................................................................................................10

Tabla 2........................................................................................................................................11

Contesta lo siguiente:...................................................................................................................14

Conclusión:.....................................................................................................................................14

Referencias:...................................................................................................................................15

OBJETIVO: Estudiar las características de un conjunto de tubos de diferente diámetro conectados en serie.

MATERIAL:- Agua libre de impurezas.

- Aparato de red de tuberías (banco hidráulico, tubos y accesorios).

- Medidor digital de presión, 0 a 2000 milibares.

- Termómetro en grados Celsius, cronómetro digital.

- Nivel de burbuja y nivel de manguera.

- Pizeta con agua destilada y paños de tela de secar.

- Flexómetro (cada equipo de trabajo debe traer el suyo).

METODOLOGÍA:Haciendo circular diferentes caudales (Q) de agua en un conjunto de tubos conectados uno seguido del otro y midiendo la presión (P/γ) en cada unión del arreglo de tuberías y en la alimentación (entrada) y en la descarga (salida), con un manómetro digital, 0 a 2000 milibares.

PRINCIPIOS TEORICOS:El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local. En la mecánica la presión se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. 

Una tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos en función de consideraciones técnicas y económicas. Suele usarse el poliéster reforzado con

fibra de vidrio (PRFV), hierro fundido, acero, latón, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, y termoplástico polietileno de alta densidad (PEAD), etcétera.

En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

El coeficiente de rozamiento o coeficiente de fricción expresa la oposición al deslizamiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un coeficiente adimensional. Usualmente se representa con la letra griega μ (mi). Su rozamiento es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrínseca de un material. Depende además de muchos factores como la temperatura, el acabado de las superficies, la velocidad relativa entre las superficies, etc. La naturaleza de este tipo de fuerza está ligada a las interacciones de las partículas microscópicas de las dos superficies implicadas.

El banco hidráulico está diseñado como mesa de trabajo, sobre la que se pueden utilizar una gran variedad de equipos didácticos, en los que sea necesario un aporte de caudal. Cuenta con dos depósitos volumétricos de diferentes tamaños, para la medida de pequeños y grandes caudales con gran exactitud. El banco cuenta con conexiones mediante tuercas de unión y un enchufe rápido (suministrado con 2 metros de manguera flexible), de forma que la instalación de los diferentes equipos de trabajo es ágil y sencilla. El banco cuenta además con un tramo intercambiable, donde se pueden acoplar gran cantidad de equipos DIKOIN.

Para obtener el caudal en esta práctica, en el salón de clase se dedujo la siguiente fórmula

Q=As√ 2g ∆ H

∑i=1

n

[ f iLi As

2

Di A i2 +K i

As2

A i2 ]

Que al compararla con la ecuación proporcionada por el maestro

Q=√ 2g∆ H

∑i=1

n

[ f iLiDi A i

2 +K i1A i

2 ]

Resulta un poco diferente, pero usando algunas simples factorizaciones matemáticas podemos comprobar que ambas ecuaciones son iguales.

Sabiendo que As es constante, ya que es el área de salida podemos factorizarla de la sumatoria

As√ 2g ∆ HA s2¿¿

¿

Q=√ 2g ∆H¿¿ ¿

Lo cual comprueba que ambas ecuaciones son correctas e iguales.

DESARROLLO: Calibración del medidor digital de presión. Para la operación segura del medidor digital de presión es indispensable leer y guiarse del manual de operación del aparato.

1) Antes de conectar el instrumento (manómetro) al Aparato de red de tuberías, pulsa la tecla ON/OFF una vez para encenderlo. Pulsando la tecla SCALE puedes elegir las unidades de medida de tu conveniencia. Asegúrate que los conectores del manómetro estén libres, esto es, sometidos a la presión atmosférica y presiona la tecla ZERO para fijar en cero los valores actuales de lectura. Esta condición permanecerá aún después de apagado el manómetro.

Apaga el instrumento pulsando la tecla ON/OFF.

2) Retira el conector de entrada (+) y con una pizeta llena con agua libre de impurezas rellena el espacio vacío dejado por el conector. Une un tramo de tubo flexible transparente al conector retirado previamente y reinstálalo.

3) Con mucho cuidado y sin derramar agua en exceso para evitar humedecer el manómetro, llena con agua limpia el tramo de tubo flexible transparente

procurando que quede libre de burbujas y mantenlo vertical en tanto conectas el manómetro al Aparato de red de tuberías. Preparación conveniente del banco hidráulico y del arreglo de tuberías para la obtención de datos experimentales. Para la identificación de las partes refiérete a la Fig. 1.

1) Asegúrate que el banco hidráulico tenga suficiente agua. Esto lo consigues si el nivel del agua está a ras o apenas por debajo de la superficie inferior del tanque volumétrico del banco. En caso contrario consulta con el encargado!!

2) Sitúa el amortiguador del tanque volumétrico alineado con el canal de desagüe del banco y mantén abierta la válvula de “balón”

3) Has las conexiones pertinentes de tubería según el arreglo elegido, tal como se muestra en el diagrama esquemático (Ver Fig. 2) con excepción del manómetro. Asegúrate que todas las conexiones cuentan con un empaque “o ring” y que todas las válvulas no incluidas en el recorrido del flujo estén cerradas. Inicia con el tubo de 13 mm de diámetro y mantén abierta la válvula de descarga del sistema.

4) Con la válvula de control de alimentación al sistema cerrada, conecta el banco hidráulico a la fuente de poder disponible (energía eléctrica, 110 volts).

5) Para iniciar el bombeo presiona el botón negro de encendido localizado en uno de los costados del banco hidráulico y abre parcialmente la válvula de control de alimentación (se sugiere ½ vuelta al menos).

6) Es absolutamente necesario purgar de burbujas de aire al sistema antes de cualquier experimentación. Se procede de la siguiente manera: cierra la válvula de purga AW. Toma el extremo con válvula autosellante del tramo de tubo flexible (sonda) conectado al lado A de la válvula de purga AW y conéctalo al puerto de

presión (1) situado apenas arriba de la válvula de control de alimentación. Debes escuchar un “click” que asegura que la válvula autosellante ha sido correctamente conectada. Cierra parcial y suficientemente la válvula de descarga para presurizar al sistema y forzar a que las burbujas de aire escapen por el orificio de ventilación localizado en la parte inferior de la válvula de purga. Abre de nuevo la válvula de descarga.

7) Abre la válvula de purga que cerraste en el paso anterior. Conecta firmemente el manómetro digital al sistema de tuberías a través de la válvula de purga. El conector positivo (+) del manómetro debe conectarse al extremo W de la válvula de purga AW por medio de un tramo de tubo flexible relleno de agua limpia y totalmente libre de burbujas. Las cargas de presión en la tubería en experimentación se transmiten ahora al manómetro. Si del extremo W al manómetro hubiera burbujas, repite este punto cuanto sea necesario.

8) Con la válvula de alimentación abierta ½ vuelta y la válvula de descarga totalmente abierta, pulsa la tecla ON/OFF para encender el manómetro y registra por escrito la carga de presión en la entrada del sistema, h1. El instrumento te permite varias opciones para la toma de datos según que desees máximos, mínimos, o promedios. Cierra la válvula de purga.

9) Para “destrabar” la válvula autosellante del puerto de presión solo tienes que oprimir la placa metálica incluida en el puerto y tirar de la válvula suavemente pero con firmeza.

10) Destraba la válvula autosellante del puerto de presión actual y conéctala al puerto de presión siguiente (Ver Fig. 3). Cierra parcial y suficientemente la válvula de descarga para presurizar al sistema y forzar a que las burbujas de aire escapen por el orificio de ventilación localizado en la parte inferior de la válvula de purga. Abre la válvula de purga y la de descarga y registra por escrito la carga de presión reportada por el manómetro digital. Repite esta operación para los puertos de presión restantes.

11) Registra la temperatura del agua y mide el caudal o gasto de circulación con la ayuda del tanque volumétrico y el cronómetro digital.

12) Abre un poco más la válvula de alimentación como es señalado en la Tabla 1 y repite los pasos 10) y 11) anteriores hasta que la válvula esté totalmente abierta.

13) Cierra las válvulas de purga implicadas en tu experimentación, la válvula de control de alimentación, y apaga la bomba presionando el botón rojo localizado en uno de los costados del banco hidráulico.

14) Seca, limpia y desconecta de la fuente de poder el banco hidráulico y cúbrelo convenientemente.

15) Mide la altura que hay entre la entrada y la salida del arreglo de tuberías, esto se hace usando el nivel de manguera para pasar el nivel del inicio y el del final hacia el pizarrón y medir la diferencia de alturas.

INFORME:1) Presenta en forma tabulada tus determinaciones experimentales y tus

cálculos. Explica tu procedimiento de cálculo.

Tabla 1

En esta primera tabla se presentan los resultados obtenidos durante el experimento.

Tabla 2

En la segunda tabla, con base en los resultados obtenidos del experimento, se calcularon las distintas pérdidas de carga de acuerdo al segmento de tubería de interés (columnas 2 a 4) y después se hizo la suma de estas distintas pérdidas

(columna 5) y se comparó con la pérdida de carga total de la tubería (columna 6), concluyendo que la pérdida de carga de toda la tubería es igual a la suma de las pérdidas de carga de cada uno de los segmentos de esta.

2) Atendiendo a la teoría de tuberías en serie en el análisis de tus determinaciones experimentales, ¿qué observaciones puedes apuntar?

En un sistema de tuberías en serie, la pérdida total de energía es la suma de las pérdidas individuales menores. Que coincide con el principio de que la ecuación de la energía es el recuento de toda la energía entre dos puntos de referencia del sistema.

3) Calcula la pérdida de carga teórica de tu arreglo para caga gasto Q y compárala con la obtenida experimentalmente. Comenta tus observaciones. Una buena aproximación es del orden de 10% de diferencia entre el valor teórico y experimental.

Para poder determinar la pérdida de carga, emplearemos la fórmula determinada en la inducción y despejaremos para uso de las instrucciones:

Q=√ 2g∆ H

∑i=1

n

[ f iLiDi A i

2 +K i1A i

2 ]→∆H=

Q 2∑i=1

n

[ f iLiDi A i

2 +K i1A i

2 ]

2g

Como puede verse de la ecuación, será necesario determinar antes los coeficientes de fricción de los tramos de tuberías, así como los de los accesorios, en este caso, de la válvula y de los codos.

Para determinar los coeficientes de fricción, nos apoyaremos del libro Hidráulica General de Sotelo Ávila. De él obtenemos la rugosidad absoluta de la tubería de plástico ε=0.0015 y conociendo el diámetro podremos determinar la rugosidad relativa que nos servirá posteriormente:

ε/D = 0.000115 para D = 13mm

ε/D = 0.000085 para D = 17.5mm

ε/D = 0.000068 para D = 22mm

Luego, determinaremos el número de Reynolds con la siguiente fórmula:

ℜ=VDυ

Como desconocemos la viscosidad cinemática, emplearemos la tabla de la página 26 del libro de Sotelo y, junto con la temperatura que medimos obtenemos que:

ν = 0.9x10-6 m2/seg para T = 25°C

Con ello, podremos emplear la fórmula modificada de Colebrook-White que nos dará el dato más parecido al que se puede ver en la tabla de Moody:

f= 0.25

[ log(0.27εD

+ GℜT )]

2

Donde:

G = 4.555 y T = 0.8764 para 4000 < Re < 105

G = 6.732 y T = 0.9104 para 105 < Re < 3x106

La siguiente tabla muestra la velocidad para cada diámetro con respecto a cada gasto y sus correspondientes números de Reynolds.

Q (lps)

D1 (m)

D2 (m)

D3 (m)

V1 V2 V3 Re1 Re2 Re3

0.4623

0.013 0.0220.0175

3.48

1.22

1.92

50313.8929730.93

37376.03

0.6969

5.25

1.83

2.90

75835.2944811.76

56334.79

0.8648

6.52

2.28

3.60

94112.3955611.86

69912.06

0.9268

6.98

2.44

3.85

100860.93

59599.64

74925.26

0.9427

7.10

2.48

3.92

102587.40

60619.83

76207.79

0.9455

7.12

2.49

3.93

102893.71

60800.83

76435.33

Con estos valores, ya podemos sustituir en la fórmula modificada de Colebrook-White. La siguiente tabla muestra estos valores para cada tramo de tubería y gasto:

Q (lps) D1 (m) D2 (m) D3 (m) f1 f2 f30.4623

0.013 0.022 0.0175

0.0213 0.0238 0.02250.6969 0.0197 0.0217 0.02060.8648 0.0189 0.0208 0.01980.9268 0.0187 0.0205 0.01950.9427 0.0186 0.0204 0.0194

0.9455 0.0186 0.0204 0.0194

Las pérdidas por accesorios se pueden buscar en el libro de Sotelo a partir de la página 296. En nuestro sistema disponemos de dos codos de 180° con bridas, el diámetro que les consideraremos será el del mayor de las tuberías, es decir 22mm. En la tabla de la página 306 nos indica que el coeficiente de pérdida para estos valores será de 0.46. A pesar de que hay otros accesorios, algunos de estos no se encuentran en el recorrido que hemos medido por lo que no son considerados.

Finalmente, con todos estos valores y, sabiendo que todos los tramos tienen una longitud de 0.70m, podemos sustituir en nuestra fórmula inicial y determinar las pérdidas de carga para cada gasto.

Caudal Q (lps)

ΔH (cm) Experimental

ΔH (m) Teórico

0.4623 159.60 1.0058350.6969 333.70 2.1167410.8648 509.10 3.1388790.9268 571.70 3.5623790.9427 594.80 3.6745460.9455 598.60 3.694615

Como se puede observar los valores de las pérdidas de carga varían considerablemente entre ambos métodos, viéndose muy reducido por el método teórico. Esto se puede deber a que no se han considerado ciertas pérdidas que podrían estar presentes. Que los valores de los coeficientes no son completamente precisos, o que se haya cometido algún error de cálculo al manejar cantidades muy complejas en formulas muy extensas. Sin embargo, se puede ver que la tendencia de la pérdida de carga es la misma entre ambos procesos, dándonos una idea de que este se esta comportando como se esperase.

Contesta lo siguiente:1. ¿Por qué es importante para un diseñador de sistemas, tener conocimiento

de la degradación de la energía en una red de tuberías?

Porque como es sabido, cuando se efectúa una transformación de energía de una forma a otra siempre surge energía térmica, aun cuando éste no sea el objetivo que se quiera; se trata de energía térmica no utilizable, aunque se sabe que aun así se cumple el principio de conservación debido a que no se produce

destrucción de energía, el diseñador la debe tener en cuenta porque al final la energía que se obtiene en el modo deseado será menor a la energía empleada al principio.

2. Sugiere situaciones prácticas donde podrían encontrarse redes de tubería en serie.

Radiadores de los automóviles Redes de distribución hidráulica de casa habitación Productos en depósitos y tanques de acero inoxidable

Conclusión:Las tuberías conectadas en serie son ampliamente utilizadas para transportar fluidos, especialmente agua, desde largas distancias; debido a ello, es necesario saber la pérdida de energía que se presenta durante su trayecto, ya que esto nos puede indicar en qué condiciones se obtendrá el agua. Por eso, para su análisis, requerimos determinar las pérdidas por fricción provocadas por las tuberías, la carga obtenida de la presión y de la velocidad en cada punto, así como la de posición, por la que generalmente, los depósitos de agua se encuentran a grandes alturas.

Por otra parte, las tuberías en serie, pese a parecer un solo y largo tubo, en realidad se distingue por los distintos diámetros y posiciones de sus tuberías, los materiales con los que están hechos suelen ser los mismos a lo largo del sistema y la presencia de accesorios, como válvulas o codos, presentan un efecto pequeño en la pérdida de carga que, sin embargo, no se deben despreciar para obtener un resultado preciso.

En la práctica hemos observado que la pérdida de carga producida a lo largo de toda la tubería será igual a la suma de las pérdidas de carga en cada tramo. Por otra parte, el gasto será el mismo en cualquier punto de esta.

Referencias:http://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/metros/manometros-digitales.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Tuber%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_rozamiento

http://dikoin.com/catalogos/equipos-didacticos/fundamentos_mecanica_fluidos/banco_hidraulico/

http://es.wikipedia.org/wiki/Caudal_(fluido)

Sotelo Ávila; “Hidráulica General: Volumen 1”; Limusa Noriega Editores; 2007.