martes, 31 de marzo de 2015

Caídas de presión en tuberías y accesorios

INTRODUCCIÓN

La presión es aquella acción de una fuerza sobre unidad de superficie, y se mide en kg/m2. La presión hidróstatica  es aquella que está determinada  por la diferencia de nivel entere la posición del plano considerad, con respecto a otro como referencia, multiplicado por el peso especifico del líquido, y el caudal es la cantidad de fluido que pasa a través de una sección por unidad de tiempo. La viscosidad depende del tipo de sustancia, como en esta práctica se utilizó el agua, es la resistencia a la circulación por frotamiento de partículas, el movimiento del fluido puede darse por un movimiento laminar o turbulento y Reynolds 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.

Dentro de estos tipos de accesorios se pueden mencionar:
Bridas, codos, tes, reducciones, cuellos o acoples, válvulas, empacaduras, tornillos y niples.
Las características de una tubería se encuentran: tipo, tamaño, aleación, resistencia, espesor y dimensión. Están hechas de materiales comunes como son: hierro y acero -en sus diferentes composiciones, tratamientos y recubrimientos.
La perdida de presión en tuberías "solo" se produce cuando el fluido esta en "movimiento" es decir cuando hay circulación.
En las tuberías en serie, el caudal que circula por ellas es el mismo, y la pérdida de carga es suma de la de cada una.

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.


OBJETIVOS
Objetivo general
·         Analizar el comportamiento de sistemas de tuberías en serie y paralelo.

Objetivo particular
·         Identificar las válvulas accesorios, en un sistema y calcular las caídas de presión utilizando un manómetro U. 


DIAGRAMA EXPERIMENTAL

Fig. 1 Diagrama de bloques de caídas de presión en tubos y accesorios


Fig. 2. Diagrama de flujo del equipo


Tabla. Características de tubería accesorios y válvulas.


RESULTADOS

Especificaciones
Tubería de cobre de ½ in= 13.39 mm de diámetro interno
Rugosidad (ε)=1.5 x 10-6 m

Tabla 1. Datos obtenidos de las caídas de presión en paralelo
Parámetro
Valores obtenidos
Velocidad
Diferencia de presión promedio
Diferencia de presión de 1-20
Porcentaje de error
Reynolds
13755.4696
Factor de fricción
Rugosidad relativa 
Factor de fricción
Rugosidad relativa teórica
Factor de fricción teórico


Tabla 2. Datos obtenidos de las caídas de presión en serie
Parámetro
Valores obtenidos
Velocidad
 m/s
Diferencia de presión aditiva
Diferencia de presión de 1-20
Porcentaje de error
Reynolds
14168.0504
Factor de fricción experimental
Factor de fricción teórico
Rugosidad relativa teórica
Rugosidad relativa experimental
           Rr=0.004


ANÁLISIS DE RESULTADOS

La medida del caudal fue de 1.047 m/s y esta se obtuvo del promedio de las velocidades después de haberlas medido un volumen de agua con una probeta y tomando el tiempo con un cronómetro.

Le ecuación de Darcy para determinar la pérdida de presión es válida tanto para un flujo laminar como para un turbulento, de modo que esta práctica según Reynolds tenemos un flujo turbulento para las dos determinaciones.

En el caso de resultados de caídas de presión en paralelo se tomó un promedio de las presiones medidas en los diferentes puntos de referencia  debido a que esta tiene que ser constante en cada uno de ellos.

En cuanto a la diferencia de presión promedio  fue de  y la caída de presión desde el punto 1-20 fue de  obteniendo de esta manera un porcentaje de error de 26.66%  en lecturas tomadas para caídas de presión en paralelo; las obtenidas en serie la caída de presión fue de esta cantidad fue el resultado de las sumatoria de las caídas de presión tomadas por cada válvula; la presión de todo el sistema fue de obteniendo un error de 23.68%  y este error se lo atribuimos que no se sabía se la tubería estaba completamente limpia, además de que no se tomo en cuenta el tubo de ¾ de pulgada sino  que se de manera general solo se tomo el de ½ in en todo el equipo, en lo que refiere a la longitud de la tubería solo se sumo la distancia que había en los tubos sin incluir lo que eran los accesorios y válvulas como son los codos o la altura, también nunca se logro un adecuado nivel en el manómetro en U lo que pudo atraer errores a la hora de tomar la lectura, en la tubería también había fugas las cuales fueron controladas de algún modo con plastilina.

Otro factor que no se considero fue que teóricamente y experimentalmente la longitud de una tubería debe considerarse también con el numero de codos y el ángulo de cada uno; pues se debe determinar una longitud equivalente en la cual influye la resistencia que oponen los codos y para hacer esta determinación se considera un factor en diferentes accesorios para obtener las perdidas por fricción en una tubería.

Posteriormente se determino el número de Reynolds el cual sirvió para determinar que tipo de movimiento en el fluido había, el cual resulto ser laminar. Con este tipo de movimiento el flujo se vuelve más estable y pueden establecerse valores de rozamiento definitivos, esto es importante ya que permite  al ingeniero determinar las características del flujo de cualquier fluido que se mueva por una tubería, conociendo su viscosidad y densidad.
El f (factor de fricción) en un flujo laminar está en función tanto del número de Reynolds y del tipo de pared de la tubería.

Para la determinación la rugosidad relativa de las paredes de la tubería  es comparada con el diámetro de la tubería fue de 0.0001 de manera experimental mientras que la teóricamente da de 0.00012.

Debido a que el tipo de superficie interna de la tubería comercial es prácticamente independiente del diámetro, la rugosidad de las paredes tiene mayor efecto en el factor de fricción para diámetros pequeños, por tanto las tuberías que tienen pequeño diámetro  se acercan a la condición de gran rugosidad  y en general tiene mayores factores de fricción  que las tuberías del mismo material pero de mayores diámetros. En donde el flujo de los flujos en tuberías está siempre acompañado de rozamiento de las partículas del fluido entre sí y, consecuentemente, por la pérdida de energía disponible; tiene que existir una pérdida de presión en sentido del flujo


CONCLUSIÓN
La pérdida de presión en paralelo es constante en todos los puntos de referencia.
Las caídas de presión en paralelos son menores a las pérdidas obtenidas cuando se miden en serie.
El porcentaje de error del 25-30% se atribuye principalmente a que no se tomo en cuenta la longitud equivalente, así como la pérdida en cada accesorio o válvula que tenía el equipo.


Bibliografía
http://www.unioviedo.es/Areas/Mecanica.Fluidos/investigacion/_publicaciones/Libros/LibroSistemasdeBombeo/index.php?page=1
Tambutti, Romillo. Física 2. Segunda reimpresión. LIMUSA. México, DF. 2002. Pp. 121.
Mott, Robert L. Mecánica de fluidos aplicada.4 ed. México : Prentice Hall, 1996


MEMORIA DE CÁLCULO

Tratamiento de los datos (Paralelo)


Tratamiento de los datos (Serie)


Calculo del  ΔP para flujo en serie

Para calcular esta variable se utilizo la siguiente formula
En donde:
Sustituyendo los datos de el punto de referencia 1-2 de la tabla 1.A
Tenemos:

Y por consiguiente se sustituyen en la formula los datos de los demás puntos de referencia (Tabla 1.A)

Punto de referencia
dz(m)
g (m/s2)
densidad m (kg/m3)
dp(Pa)
1,2
0.003
9.81
13579
399.62997
2,5
0
9.81
13579
0
5,6
0.002
9.81
13579
266.41998
6,13
0.008
9.81
13579
1065.67992
13,14
0.012
9.81
13579
1598.51988
14,15
0.002
9.81
13579
266.41998
15,17
0.006
9.81
13579
799.25994
17,18
0.002
9.81
13579
266.41998
18,19
0.009
9.81
13579
1198.88991
19,20
0.003
9.81
13579
399.62997
Tabla 1.A
Tabla 1.A


Se calculan los flujos y las velocidades de los valores tomados en práctica.
Porcentaje de error

Para obtener el flujo volumétrico se toman los datos tomados en diferentes tiempos en la practica (Tabla 1.B) y se sustituyen en la siguiente formula:

Donde:
Q=gasto volumétrico
v=volumen gastado
t=tiempo
Sustituyendo datos del primer punto de la tabla 1.B se tiene


Y así se sustituye cada punto de la tabla 1.B

v(ml)
t(s)
Q(m3/s)
430
2.8
0.00015357
530
3.3
0.00016061
490
3.3
0.00014848
500
3.3
0.00015152
510
3.5
0.00014571
                                       Tabla 1.B

Por consiguiente para el cálculo de las velocidades se utiliza:
Q= A*V

Q=gasto volumétrico
A=Área de la tubería
V=velocidad del flujo

Para obtener el área se utiliza el diámetro interno de la tubería de ½ de pulgada
D=0.01339 m
Obtenemos el área con la formula

Sustituyendo datos:


Cada dato de la tabla 1.C se sustituyo para obtener las diferentes velocidades y al final la velocidad promedio.
Q(m3/s)
A (m2)
v(m/s)
0.00015357
0.00014082
1.09058212
0.00016061
0.00014082
1.14053831
0.00014848
0.00014082
1.05445995
0.00015152
0.00014082
1.07597954
0.00014571
0.00014082
1.0347849
 1.079268
                                  Tabla 1.C

Para calcular el numero de Re se utiliza la siguiente formula:
Donde
Numero adimensional de Reynolds
D=diámetro interno de la tubería de ½ pulgada
V=velocidad  del flujo
μ= Viscosidad del agua

Usando la viscosidad del agua, el diámetro de la tubería, y las velocidades determinadas anteriormente se calcula el número de Re.
Sustituyendo los datos de la tabla 1.D


D(m)
v(m/s)
Re
densidad(kg/m3)
viscosidad (Ns/m2)
0.01339
1.09058212
14316.5633
1000
0.00102
0.01339
1.14053831
14972.3608
1000
0.00102
0.01339
1.05445995
13842.3713
1000
0.00102
0.01339
1.07597954
14124.8687
1000
0.00102
0.01339
1.0347849
13584.088
1000
0.00102
     Tabla 1.D

Para calcular la fricción usamos la formula:


Sustituyendo datos ocupamos la velocidad promedio de las velocidades calculadas en la tabla 1.C y el delta P total,

Usando el delta P obtenido al medir todo el sistema obtenemos otro valor de fricción:

Paralelo
Cálculo del flujo,

Tabla 2.A Determinación del caudal
Volumen(cm3)
Tiempo (s)
Q (cm3/s)
490
4.9
100
510
3.2
159.375
520
3.5
148.571429
540
3.7
145.945946
570
3.1
183.870968

Cálculo de la velocidad,
Tabla 2.B Determinación de la velocidad
Q (cm3/s)
Área (cm2)
Velocidad (cm/s)
Velocidad   (m/s)
100
0.000140816
710146.497
0.7101465
159.375
0.000140816
1131795.98
1.13179598
148.571429
0.000140816
1055074.8
1.0550748
145.945946
0.000140816
1036430.02
1.03643002
183.870968
0.000140816
1305753.24
1.30575324
Promedio  velocidad
1.04784011 m/s

Cálculos para las caídas de presión en paralelo:

Tabla 2.C Determinación de la diferencia de presión en los diferentes puntos de referencia
Punto de referencia
 presión (Pa)
z (m)
7-13
532.83996
0.004
7-14
399.62997
0.003
9-15
133.20999
0.001
16-10
799.25994
0.006
11-17
666.04995
0.005
Promedio
506.197962

1-20
399.62997
0.003


Porcentaje de error,


Cálculo de Reynolds
  
Reynolds
Tipo de flujo
13755.4696
Región de transición

Calculo de f (factor de fricción)

Cálculo de la rugosidad relativa

Para determinar la rugosidad relativa experimental se superponen los datos en la grafica 1 para poder encontrar el valor con los valores de Re y el factor de fricción experimental; para los teóricos se determina la rugosidad relativa con el cociente de la rugosidad entre el diámetro nominal de la tubería y con el numero de Re se busca el factor de fricción teórico en la grafica 1 anexada a continuación.

---------------------------------------------
lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll


Si eres estudiante de una universidad latinoamericana (incluido México), tal vez te pueda interesar ésta oferta laboral para dar asesorías online de ciencias a estudiantes: 
http://farmupibi.blogspot.mx/2015/03/oferta-laboral.html

También puedes buscar la entrada en mi blog como "Oferta laboral".

Cualquier duda, comentario o sugerencia puedes dejar un comentario en la entrada o mandarme un correo a charles.dcsc@gmail.com


No hay comentarios:

Publicar un comentario

Deja tu comentario, puede ser anónimo. Todos son bienvenidos.