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Una práctica realizada en la Universidad Tecnológica de Bolívar, en la que se calculan las pérdidas de energía por fricción en una tubería variando el diámetro y considerando factores como el caudal, la velocidad y el factor de fricción del sistema. Se utilizó un simulador para obtener los datos y se aplicaron las ecuaciones de Darcy y Reynolds para determinar el régimen de flujo y el número de Reynolds.
Qué aprenderás
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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26 de mayo de 2021
Las p´erdidas de energ´ıa es un factor importante en la medida en que suponen un mayor gasto energ´etico, lo que no es conveniente en t´erminos econ´omicos, ambientales y de rendimiento en general. En esta pr´actica se calulan las p´erdidas de energ´ıa en una tuber´ıa variando el di´ametro y por ende aspectos como el caudal,velocidad y factor de fricci´on del sistema. Se encuentra que a menor diametro se presentan m´as p´erdidas por fricci´on as´ı mismo con el valor de la rugosidad.
Al moverse un fluido por una tuber´ıa, independientemente de si el flujo es laminar o turbulento, al fluir por el ducto experimentar´a perdidas de energ´ıa debido a factores como la fricci´on, puesto que hay transformaci´on de la energ´ıa cin´etica a cal´orica y m´as importante a´un,este fen´omeno conlleva a caidas de presi´on que determinar´an la potencia de una bomba para hacer que el fluido siga moviendose, por lo que habr´a m´as gasto energ´etico, lo cual en su mayor´ıa no es conveniente. En esta pr´actica se evaluar´an las p´erdidas de energ´ıa por fricci´on en un sistema de tuber´ıas utilizando un simulador que proporciona datos tales como el caudal as´ı como el di´ametro de la tuber´ıa. Se calcula el factor de fricci´on con la ecuaci´on de Darcy y con el n´umero de Reynolds se determina
el r´egimen de flujo. Con todo esto, se analizan los factores que afectan las p´erdidas por fricci´on tales como la rugosidad, el n´umero de Reynolds, el di´ametro de la tuber´ıa entre otras.
2.1. Objetivo General.
2.2. Objetivos Espec´ıficos.
Antes de empezar con esta secci´on, se hace referencia a la tabla de datos Tabla 7, de la cual se realizar´an c´alculos con ciertas variables dependiendo del caso.
3.1. C´alculo de p´erdidas de cargas
Para la realizaci´on de la obtenci´on de los resultados de las p´erdidas de cargas en cada ensayo de las cinco distintas tuberias, se hace uso de la ecuaci´on suministrada por el simulador H = 12 , 6 ∗ ( RL − LL ) En el ensayo, una vez se haya obtenido las lecturas de ambos lados del man´ometro se proceden a calcular las p´erdidas de cargas H , obteniendo as´ı la siguiente tabla con sus resultados en cm :
Tabla 1. P´erdidas de cargas en cada ensayo de los di´ametros.
Para Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio d 1 44,1 119,7 107,4 90, d 2 94,5 56,7 81,9 77, d 3 122,85 148,05 85,05 118, d 4 81,9 107,1 69,3 86, d 5 75,6 151,2 126 117,
3.4. C´alculos del factor de fricci´on
Para el factor de fricci´on se necesita hacer uso de la ecuaci´on
f =
2 gdH v^2 l
donde ya se conocen cada uno de las varibles necesitadas para calcular el factor de fricci´on en cada ensayo, incluso tenemos a la gravedad g y la longitud de la tuber´ıa l se encuentran en Tabla 7, las p´erdidas de cargas H en la Tabla 1 y las velocidades V se encuentran en la Tabla 3.
Tabla 4. Resultados del factor de fricci´on f para cada ensayo de las tuber´ıas.
Para Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio d 1 0,0066 0,0104 0,0106 0, d 2 0,0254 0,0284 0,0266 0. d 3 0,026 0,024 0,0267 0, d 4 0,3984 0,3247 0,4118 0, d 5 0,7469 0,2627 0,4197 0,
3.5. C´alculos del n´umero de Reynolds
Como ya conocido el tema del n´umero de reynolds en la pr´actica anterior, se tiene su ecuaci´on
Re =
dV v donde V como se mostr´o anteriormente se encuentra en la Tabla 3 y la viscosidad v en l aTabla 7, en consecuencia obteniendo los siguientes resultados:
Tabla 5. Resultados del n´umero de Reynolds Re para cada ensayo de las tuber´ıas.
Para Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio d 1 38276,98 50279,09 47086,75 45214, d 2 44057,29 32244,19 40087,37 38796, d 3 69775,45 80875,75 56936,13 69195, d 4 292774,33 37080,8 26486,27 30947, d 5 28707,73 68456,89 49441,07 48868,
3.6. Rugosidad de las tuber´ıas
Esta tabla tiene cierta particularidad que solo se evidencian los datos para los di´ame- tro de tuber´ıas d 2 y d 3 , la explicaci´on del por qu´e sucedi´o esto se conocer´a mas adelante en la secci´on 4. Estos resultados se obtuvieron de la siguiente manera, primero la rugo- sidad relativa a partir del diagrama de Moody teniendo en cuenta el factor de fricci´on
y el n´umero de Reynolds calculados en las secciones anteriores y segundo la rugosidad de la tuber´ıa ε que se obtiene mediante la formula:
r =
ε d
donde r es la rugosidad relativa, ε la rugosidad del material de la tuber´ıa y d el di´ametro de la tuber´ıa. Por consiguiente se tienen los valores en la tabla:
Tabla 6. Tabla de c´alculos de la rugosidad de cada tuber´ıa.
Para Rugosidad relativa ε/d Rugosidad ε ( mm ) d 2 4 ∗ 10 −^3 8 ∗ 10 −^2 d 3 1 ∗ 10 −^3 2 , 5 ∗ 10 −^2
En la Ingenier´ıa es fundamental conocer las perdidas que tiene un fluido, se sabe que hay formulas para hallar dichas perdidas sin tener en cuenta el factor de fricci´on, sin embargo nada mas pueden ser aplicadas para fluidos de tipo laminar, por ende se hace esencial conocer el Diagrama de Moody, as´ı mismo para entender mejor que factores que generan perdidas.
4.1. Perdidas
Se observa que d 2 y d 3 , son las tuberias que presentan valores mas bajos y mas altos de perdida respectivamente, a pesar de llevar el mismo fluido la diferencia es bastante grande, por ende es necesario examinar a fondo el coeficiente de fricci´on para cada una.
4.2. Reynolds
El n´umero de Reynolds es otra de las variables que afecta el factor de fricci´on, los valores m´as altos de n´umero de Reynolds, son o los que tienen mayor diametro o una velocidad mayor, sin embargo tambien se observa que las velocidades mas altas son alcanzadas por los diametros mas peque˜nos, mientras que los valores de caudar mas grande se alcanza con los diametros mas grandes.
4.3. Rugosidades
Se puede observar que los conductos m´as lisos, es decir los que tienen una menor rugosidad, tienen valores m´as altos de perdida, debido a que presentan valores mas altos de coeficiente de friccion comparado con los m´as rugosos, y se pudo observar en la pr´actica para las tuberias d 2 y d 3 , podemos hablar que pueden ser de materia acero y hierro Galvanizado respectivamente. Adem´as en la literatura sobre el tema se
Tabla 7. Datos iniciales
Descripci´on S´ımbolos Valor Unidades
Di´ametro
d 1 1,
cm
d 2 2 d 3 2, d 4 4 d 5 5 Longitud l 300 Lectura inicial Li 55 Lectura final Lf 65 Subida h 10 Area del tanque A 3500 cm^2 Gravedad g 981 cm/s^2 Viscosidad v 0,01002 cm^2 /s
Tabla 8. Datos tomados de los ensayos para cada tuber´ıa de di´ametro d.
Para (^) Prueba 1Lectura de extremidad izquierda LL (cm) Prueba 2 Prueba 3 Promedio^ Prueba 1Lectura de extremidad derecha RL (cm) Prueba 2 Prueba 3 Promedio d 1 23,5 20,5 21 21,667 27 30 29,5 28, d 2 23 24,5 23,5 23,667 30,5 29 30 29, d 3 24,25 23,25 25,75 24,416 34 35 32,5 33, d 4 31 30 31,5 30,833 37,5 38,5 37 37, d 5 33 30 31 34,333 39 42 41 40,
Tabla 9. Tiempo (seg) estimado para llenar 10cm de agua en el tanque.
Para Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio d 1 77,5 59 63 66, d 2 50,5 69 55,5 85, d 3 25,5 22 31,25 26, d 4 38 30 42 36, d 5 31 13 18 20,
Tabla 10. Tabla de rugosidades investigadas con unidad de mm ,
Material Valor Hierro Forjado 0,03 - 0, Acero comercial y soldado Hierro Galvanizado 0,06 - 0,