PERDIDAS DE CARGA LOCALES EN TUBERÍAS

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PERDIDAS DE CARGA LOCALES EN TUBERÍAS

1. INTRODUCCIÓN El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una pérdida de energía, que suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga. Además de las pérdidas de carga lineales(a lo largo de los conductos), también se producen pérdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, ampliaciones, reducciones, válvulas, etc. En el presente informe nos ocuparemos de las pérdidas de cargas singulares, locales o secundarias. Las pérdidas locales son provocadas generalmente por cambios en la velocidad, sea magnitud o dirección.

2. OBJETIVOS. 

Poner de manifiesto las pérdidas de carga y los caracteres de una corriente que circula por un sistema hidráulico en el que existen cambios de sección, de dirección y válvulas.



Determinar las constantes de ensanchamiento, contracción y codos, para pérdidas de cargas locales.

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3. EQUIPOS Y MATERIALES  Banco Hidráulico FME 08 El tanque de medición volumétrica está escalonado, permitiendo medir caudales altos

o

bajos.

Un

deflector

de

amortiguación reduce la turbulencia y un vaso comunicante exterior con escala marcada instantánea

ofrece del

una nivel

de

indicación agua.

El

suministro incluye un cilindro medidor para la medición de caudales muy pequeños.

 Equipo de pérdida de cargas locales FME 05

Marca EDIBON, modelo FME05; éste equipo consta de un piezómetro antes y después de cada dispositivo. Tiene ensanchamiento, codo largo, codo medio, y un codo corto, una entrada y una salida para el fluido, además consta de un inglete (que es una especie de un codo pero con un ángulo de 90º).

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Este equipo pone de manifiesto las pérdidas de cargas y los caracteres de una corriente que circula por un sistema hidráulico en el que existen cambio de sección, dirección y válvulas. Este equipo puede trabajar con el Banco Hidráulico (FME00) Dispone de doce tubos manométricos y dos manómetros tipo Bourdon de0a2,5bar. El circuito hidráulico tiene tomas de presión a lo largo de las tuberías, lo que permite medir la pérdida de energía en distintos elementos. El rango de manómetros de diferencial: 0 a500 mm. El número de tubos manométricos: 12.

 Cronometro Para medir el tiempo en que se llena un cierto volumen de fluido

 Probeta Para medir volúmenes de fluido y junto con el tiempo de de llenado respectivo calcular el caudal

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4. MARCO TEÓRICO: PÉRDIDAS LOCALES FUNDAMENTO TEÓRICO Además de las pérdidas de energía por fricción, hay otras pérdidas "menores" asociadas con los problemas en tuberías. Se considera que tales pérdidas ocurren localmente en el disturbio del flujo. Estas ocurren debido a cualquier disturbio del flujo provocado por curvaturas o cambios en la sección. Son llamadas pérdidas menores porque pueden despreciarse con frecuencia, particularmente en tuberías largas donde las pérdidas debidas a la fricción son altas en comparación con las pérdidas locales. Sin embargo en tuberías cortas y con un considerable número de accesorios, el efecto de las pérdidas locales será grande y deberán tenerse en cuenta. Las pérdidas menores son provocadas generalmente por cambios en la velocidad, sea magnitud o dirección. Experimentalmente se ha demostrado que la magnitud de las pérdidas es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Es común expresar las pérdidas menores como función de la cabeza de velocidad en el tubo, V2/2g:

Con hL la pérdida menor y K el coeficiente de pérdida. Valores de K para todo tipo de accesorio, son encontrados en los textos de fluidos e hidráulica.

 PÉRDIDA EN UNA EXPANSIÓN SÚBITA

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Un ensanchamiento súbito en la tubería provoca un incremento en la presión de P1 a P2 y un decrecimiento en la velocidad de V1 a V2 (figura

1).

Figura 1. Pérdida en una expansión súbita. Separación y turbulencia ocurre cuando el flujo sale del tubo más pequeño y las condiciones normales del flujo no se restablecen hasta una cierta distancia aguas abajo. Una presión P0 actúa en la zona de remolinos y el trabajo experimental ha demostrado que P0 = P1. Aislando el cuerpo del fluido entre las secciones (1) y (2), las fuerzas que actúan sobre el fluido son las que se muestran en la figura 2.

Figura 2. Volumen de control para una expansión súbita.

Y dado que

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resulta

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K (coeficiente de pérdida) Un caso especial ocurre cuando un tubo descarga en un tanque (figura 3). El área a1 del tubo es muy pequeña comparada con el área a2 del tanque; entonces,

K

=1y

Figura 3. Descarga de una tubería en un tanque.

 PÉRDIDA EN UNA CONTRACCIÓN SÚBITA

Figura 4. Pérdida en una contracción súbita.

El flujo a través de una contracción súbita usualmente involucra la formación de una vena contracta en el tubo pequeño, aguas abajo del cambio de sección. La pérdida total de energía en una contracción súbita se debe a dos pérdidas menores separadamente. Éstas son causadas por:

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

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La convergencia de las líneas de corriente del tubo aguas arriba a la sección de la vena contracta.



La divergencia de las líneas de corriente de la sección de la vena contracta al tubo aguas abajo.

El proceso de convertir carga de presión en carga de velocidad es bastante eficaz, de ahí que la pérdida de carga de la sección (1) hasta la vena contracta (sección de mayor contracción en el chorro) sea pequeña comparada con la pérdida de la sección de la vena contracta hasta la sección (2), donde una carga de velocidad se vuelve a convertir en carga de presión. Por esto una estimación satisfactoria de la pérdida total hL , puede establecerse considerando únicamente la pérdida debida a la expansión de las líneas de corriente. De la ecuación (2),

Cc es el coeficiente de contracción.

Y dado que

resulta:

K

Un caso especial ocurre en el flujo que entra a una tubería proveniente de un tanque. Como la pérdida de energía depende del valor del coeficiente de contracción Cc, pueden hacerse varias modificaciones en la forma de la entrada al tubo para reducir las pérdidas. Por ejemplo una entrada de boca campana reduce considerablemente el coeficiente de pérdidas K. (figura 5)

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Figura 5. Salida de una tubería de un tanque. Curvaturas, válvulas, secciones asimétricas, etc. Es difícil desarrollar expresiones analíticas exactas para determinar la pérdida de energía en codos, válvulas, etc. Por lo tanto la pérdida de energía se expresa simplemente de la forma

donde: K = coeficiente de pérdida V = velocidad del flujo en el tubo aguas abajo del disturbio Para cada accesorio se puede recurrir a la experimentación para determinar el valor de K.

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5. PROCEDIMIENTO: Instalación del equipo:  Situar el equipo sobre el Banco Hidráulico. 

Conectar el tubo de entrada (11) con la boquilla de impulsión del Banco, e introducir en el tanque volumétrico el extremo del tubo de salida aguas debajo de la válvula de control (12).

Modelo FME05 En el circuito hidráulico del equipo se halla instalados en serie, para poderlos comparar directamente, una sucesión de elementos singulares que provocan pérdidas de carga localizadas en el lugar en donde se encuentran situados, a saber: a) Un cambio gradual de dirección, en forma de codo largo (1). b) Un ensanchamiento brusco de sección,(2). c) Un estrechamiento brusco de sección, (3). d) Un cambio gradual de dirección, en forma de codo medio (6). e) Un cambio brusco de dirección, en forma de codo (a 90º), (4).

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f) Una válvula de tipo compuesta (9). g) Un cambio brusco de dirección con la válvula de control de salida (12). El caudal que circula se regula con la válvula de control de salida (12) Desarrollo de la práctica:  Montar el Aparato cobre el Banco Hidráulico,  Conectar el tubo de entrada del aparato a la impulsión del Banco y empalmar un conducto a la salida de aquel, para que desagüe en el tanque volumétrico.  Abrir completamente la válvula de control de salida del aparato y la válvula de compuerta.  Poner en marcha la bomba y abrir la válvula de control del sumidero del Banco para permitir que el agua circule por el interior del aparato evacuando todas las bolsas o burbujas de aire que existan.  Una vez desalojado el aire desconectar la válvula antirretorno hasta lograr que los finos conductos de tomas de presión y los tubos manométricos del panel estén llenos de agua.  Empezamos a realizar el ensayo y ajustamos a voluntad propia los niveles de los tubos manométricos y tomar los datos de los diferentes tubos.  Ajustamos de forma escalonada en sucesivas etapas en cinco ocasiones tomando pos caudales en las siguientes lecturas.  Para esto utilizamos una probeta para medir los volúmenes y un cronómetro para medir el tiempo en que se llena la probeta.  Luego de terminar de leer las lecturas en cinco ocasiones con los datos tomados hallamos los k correspondientes.

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6. Datos Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Volumen (mL)

550

950

755

830

980

Tiempo (s)

4.6

7.3

5

4.3

3.9

Caudal (m3/s)

0.00011957

0.00013014

0.000151

0.00019302

0.00025128

V1(m/s)

0.41949329

0.45658423

0.52978189

0.67722003

0.88162039

V2(m/s)

0.9438599

1.02731451

1.19200925

1.52374507

1.98364588

d1(pulg) d2(pulg)

0.75 0.5

áreas(m2) 0.00028502 0.00012668

7. CÁLCULOS Y RESULTADOS Medida 1 H1

Medida 2 H2

H1

Medida 3 H2

H1

Medida 4 H2

H1

Medida 5 H2

H1

H2

ensanchamiento

242

244

247

250

257

261

268

273

310

320

contracción

244

240

250

244

260

252

272

261

318

297

codo largo

242

241

247

245

258

254

268

263

310

299

codo medio

238

237

242

240

250

248

259

256

292

287

mitre inglete

192

184

181

172

163

151

145

128

68

37

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Dh (m)

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Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

ensanchamiento

0.002

0.003

0.004

0.005

0.01

constraccion

0.004

0.006

0.008

0.011

0.021

codo largo

0.001

0.002

0.004

0.005

0.011

codo medio

0.001

0.002

0.002

0.003

0.005

mitre inglete

0.008

0.009

0.012

0.017

0.031

V2/2g

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

ensanchamiento

0.00896914 0.01062534 0.01430524 0.02337548 0.03961542

constraccion

0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306

codo largo

0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306

codo medio

0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306

mitre inglete

0.04540629 0.05379078 0.07242029 0.11833838 0.20055306

K ensanchamiento

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Promedio

0.2229867 0.28234393 0.27961778 0.21389933 0.25242697

0.25025

constraccion

0.08809351 0.11154328 0.11046628 0.09295378 0.10471045

0.10155

codo largo

0.02202338 0.03718109 0.05523314 0.04225172 0.05484833

0.04231

codo medio

0.02202338 0.03718109 0.02761657 0.02535103 0.02493106

0.02742

mitre inglete

0.17618702 0.16731492 0.16569942 0.14365584 0.15457256

0.16149

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Graficas

Ensanchamiento 0.3 0.28 Ensanchamiento

0.26 0.24

Linear (Ensanchamiento)

0.22 0.2 0

2

4

6

Contracción 0.115 0.11 0.105

Contracción

0.1 Linear (Contracción)

0.095 0.09 0.085 0

1

2

3

4

5

6

Codo Largo 0.055 0.045 Codo Largo

0.035

Linear (Codo Largo) 0.025 0.015 0

13

1

2

3

4

5

6

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Codo Medio 0.04 0.035 Codo Medio 0.03 Linear (Codo Medio)

0.025 0.02 0

1

2

3

4

5

6

Mitre Inglete 0.19 0.18 0.17

Mitre Inglete

0.16 Linear (Mitre Inglete)

0.15 0.14 0.13 0

1

2

3

4

5

6

8. CONCLUSIONES Considero que el cálculo de HL es de gran utilidad ya que nos permite determinar las pérdidas que hay en nuestro sistema de tuberías las cuales pueden ser perdidas mayores o menores según sea el caso, lo cual nos ayuda a hacer más eficiente nuestro sistema, este tema es de gran utilidad ya que en la práctica, este es uno de los problemas a resolver. Y el determinar hL nos ayuda a mejorar los sistemas hidráulicos.

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9. BIBLIOGRAFÍA Practica: Perdida de Carga en Accesorios – INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI http://www.tecnicsuport.com www.wikipedia.com http://www.energia.inf.cu

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