Guia_1 Mecanica de Los Fluidos PDF

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA

CENTRO DE ESTUDIOS EN CIENCIAS DE LA ENERGÍASede Principal Los Chaguaramos, Piso 9

Caracas Distrito Capital0212- 6063873 - 0212- 6063985

GUÍA DEL LABORATORIO DEMECÁNICA DE FLUIDOS

Laboratorio de Mecánica de Fluidos

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ÍNDICE

NORMAS Y REGLAMENTO DEL LABORATORIO, NORMAS DE SEGURIDAD ENLABORATORIO, PREVENCIÓN DE RIESGOS Y HOJAS DE SEGURIDAD ENPRODUCTOS QUÍMICOS (4 horas).

PRACTICA 1: ESTATICA DE FLUIDOS Y SUS APLICACIONES. MEDICION DEVISCOSIDADES DE FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS (4 horas)

PRACTICA 2: VISUALIZACION DE LINEAS DE FLUJO. VISUALIZACION DELFLUJO EN CANALES (4 horas)

PRACTICA 3: DEMOSTRACION DEL TEOREMA DE BERNOULLI.DEMOSTRACION DE OSBORNE-REYNOLDS (4 horas)

PRACTICA 4: DETERMINACION DEL PERFIL DE PRESION USANDO UN TUBODE PITOT. DEMOSTRACION DE SISTEMAS DE MEDIDAS DE FLUJOS (4 horas)

PRACTICA 5: LECHOS FLUIDIZADOS (4 horas)

PRACTICA 6: PÉRDIDAS DE CARGAS LOCALES (4 horas)

PRACTICA 7: BOMBAS EN SERIE Y EN PARALELO. DEMOSTRACION DELFENOMENO DE CAVITACION (4 horas)

PRACTICA 8: AGITACION Y MEZCLA. VACIADO DE TANQUES YDETERMINACION DEL COEFICIENTE DE DESCARGA (4 horas)


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1- NORMAS Y REGLAMENTO DEL LABORATORIO

Resulta de capital importancia, que las mismas sean leídas, interpretadas yaceptadas perfectamente por el alumno. Así mismo, no está de más aclarar quecada una de las normas contempladas en dicho reglamento, deben ser acatadas yrespetadas a cabalidad y sin excepción, éstas son:

1.1 Es obligatorio vestir con la bata de laboratorio, lentes de seguridad, pantaloneslargos y zapatos cerrados al trabajar en el laboratorio. Aplicable a profesor,preparador, técnico y estudiantes.

1.2 El alumno es responsable del material y equipo que se le suministre al inicio dela práctica. El material dañado o perdido deberá ser sustituido a la mayor brevedad.

1.3 Todo material de laboratorio dañado o desaparecido deberá ser repuesto portodo el grupo cuando no exista un responsable.

1.4 La persona o grupo de trabajo no deben tomar material de otra gaveta que nosea la asignada para dicho grupo o persona.

1.5 Solicitar al técnico, profesor o preparador cualquier material o reactivo adicionalque necesite durante la realización de la práctica.

1.6 Cualquier duda con respecto a la utilización de algún equipo o material de vidriopara la realización de la práctica debe ser consultada al profesor, preparador otécnico.

1.7 Se deberá informar de cualquier accidente, por pequeño que sea, al profesor,técnico o preparador.

1.8 Durante las horas de práctica sólo se permitirá realizar la experiencia asignada alalumno para ese día. Cualquier otra actividad a realizar deberá ser aprobada por elprofesor.

1.9 Ningún estudiante podrá trabajar en el laboratorio sin la presencia de un técnicoo profesor.

1.10 Ninguna sesión de laboratorio podrá comenzar, ni terminar sin la presencia delprofesor.

1.11 Está terminante prohibido comer y fumar dentro del laboratorio y susadyacencias.

1.12 Durante la realización de la práctica no se permitirá la entrada de personasajenas al laboratorio.

1.13 En caso de necesitar ausentarse del laboratorio, el estudiante deberá notificarpreviamente al profesor, preparador o técnico.


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2- EVALUACIÓNLa unidad curricular Mecánica de los Fluidos será evaluada de acuerdo a los

siguientes porcentajes:

Prácticas 50%Evaluaciones 30%Proyecto 20%

100%

Notas importantes sobre la evaluación:

El pre-informe corresponde a la entrega antes de iniciar la práctica delflujograma o diagrama del equipo; para realizarlo el estudiante deberá haberasistido a las sesiones de asesoría; las tablas de datos, serán presentadaspor grupo, doble copia una para el grupo y otra para el docente, quién lasentregará debidamente firmadas para ser incluidas como anexos del informe.

El estudiante deberá acumular una nota mínima de 10 puntos sobre el 30%correspondiente a las evaluaciones parciales (Post-laboratorio) y de igualmanera 10 puntos sobre el 50 % de las evaluaciones prácticas para poderaprobar la unidad curricular y de esta manera sea tomado en cuenta elporcentaje del proyecto.

El estudiante que no cumpla y/o apruebe las actividades definidas como pre-laboratorio, tales como: quices, interrogatorio, cuaderno, tablas y diagramasno podrá realizar la práctica correspondiente.

Con respecto a las inasistencias, recuperación de prácticas, exámenes de pre-laboratorio (quiz) y las evaluaciones (post-laboratorio), se acordaron los siguientespuntos:

a. El número de inasistencias justificadas que un estudiante puede tener durante lassesiones de prácticas y las evaluaciones (post laboratorio) durante el tramo sondos (2).

b. Todos los estudiantes tienen derecho a recuperar una práctica al final del tramobien sea que la haya reprobado o que haya faltado (justificadamente). No serecuperaran prácticas por inasistencias injustificadas.

c. Los estudiantes que reprueben tres (3) exámenes de Pre-Laboratorioautomáticamente tienen reprobada la unidad curricular (25% de Inasistencia),durante el tramo se podrá reprobar dos (2) exámenes de pre-laboratorio y al finalrecuperar uno y obligatoriamente aprobarlo (para poder aprobar la unidadcurricular).

d. Se realizarán consolidaciones por práctica las cuales tendrán un carácter


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formativo, para reforzar los conocimientos adquiridos antes de presentar laevaluación del (post-laboratorio).

e. Reprobar o no asistir a dos (2) prácticas produce la pérdida automática de laUnidad Curricular.

Cada una de las prácticas será evaluada de la siguiente manera:

Pre-informe 2 PtosPre-Laboratorio (quiz) 6 Ptos

Informe 10 PtosApreciación del Trabajo de Lab. 2 Ptos

Total 20 Ptos

2.1- Pre-Laboratorio (quiz): Examen escrito o evaluación oral, antes de la prácticaque debe ser aprobado obligatoriamente para realizar el laboratorio.

2.2- Pre-Informe:

1. Portada.2. Objetivos de la práctica.3. Flujograma.4. Medidas de Seguridad.5. Tablas preparadas para la recolección de datos. .

2.3 - Apreciación del Trabajo de Laboratorio:

Estará basada según el criterio del profesor, en función del desempeño mostradopor el estudiante durante la práctica en los siguientes aspectos:

- Puntualidad.- Vestimenta adecuada.- Cumplimiento de las normas de Seguridad, Orden y Limpieza.- Comportamiento.- Habilidad y destreza- Eficacia (finalización a tiempo de la práctica).- Organización.

2.4- Informe: (tipo artículo científico).

1.- Resumen.2.- Introducción.3.- Materiales y Métodos.4.- Discusión y presentación de los Resultados.5.- Conclusiones y recomendaciones.6.- Bibliografía Consultada.7.- Anexos (datos firmados por el docente y cálculos realizados para el

informe).


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3.-DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES

El material (hoja de seguridad) se encuentra adosado en los recipientes de losproductos químicos. Además, el suplidor está obligado a suministrar, con antelación,la hoja de seguridad detallada, contentiva de los principios activos del producto,condiciones de almacenaje, primeros auxilios en caso de ingestión o contacto con lapiel, ojos, etc.

TABLA 1. ELEMENTOS PERSONALES DE PROTECCIÓN Y SEGURIDAD EN ELLABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS

Siempre debe utilizar bata de laboratorio. Ésta debe ser de unmaterial resistente (algodón o poliéster pero no nylon, ya queeste material es poroso y fácilmente inflamable).

La bata de laboratorio debe proteger los brazos y el cuerpo; peroal mismo tiempo debe poderse quitar con facilidad en caso dequemaduras con solventes u otro material peligroso. No debe serutilizada fuera del laboratorio.

Siempre debe proteger los ojos usando gafas de seguridad. Siusa normalmente anteojos debe usar las gafas de seguridadsobre sus anteojos. No es aconsejable usar lentes de contactoen el Laboratorio ya que cualquier gas o líquido corrosivo puedereaccionar con los lentes y causar daños irreparables. Si Ud.trabaja con material corrosivo u otro material peligroso use unamascara que cubra toda la cara.

Use guantes si va a trabajar con material corrosivo o peligrosoque pueda absorberse por la piel o producir alergias. Si no estáseguro de las características de la sustancia, consulte el manualdel laboratorio. Si usted particularmente tiene alguna alergia,debe usar guantes todo el tiempo.


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Si usted tiene el cabello largo debe mantenerlo recogido. Si elcabello largo está suelto no solamente corre el riesgo deincendiarse, sino que puede enredarse con el material dellaboratorio.

Lleve calzado cómodo, cerrado y antiresbalante, esto con lafinalidad de proteger los pies de salpicaduras, derrames y caídas.

Tabla 2. Tabla de Símbolos de riesgo: clasificación y precaución.

EExplosivo

Clasificación: Sustancias y preparacionesque reaccionan exotérmicamente tambiénsin oxígeno y que detonan segúncondiciones de ensayo fijadas, puedenexplotar al calentar bajo inclusión parcial.Precaución: Evitar el choque, Percusión,Fricción, formación de chispas, fuego yacción del calor.

OComburente

Clasificación: (Peróxidos orgánicos).Sustancias y preparados que, en contactocon otras sustancias, en especial consustancias inflamables, producen reacciónfuertemente exotérmica.Precaución: Evitar todo contacto consustancias combustibles.Peligro de inflamación: Puedenfavorecer los incendios comenzados ydificultar su extinción.

F+Extremadamente

inflamable

Clasificación: Líquidos con un punto deinflamación inferior a 0 ºC y un punto deebullición de máximo de 35 ºC. Gases ymezclas de gases, que a presión normal ya temperatura usual son inflamables en elaire.Precaución: Mantener lejos de llamasabiertas, chispas y fuentes de calor.


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FFácilmenteinflamable

Clasificación: Líquidos con un punto deinflamación inferior a 21 ºC, pero que NOson altamente inflamables. Sustanciassólidas y preparaciones que por acciónbreve de una fuente de inflamaciónpueden inflamarse fácilmente y luegopueden continuar quemándose ópermanecer incandescentes.Precaución: Mantener lejos de llamasabiertas, chispas y fuentes de calor.

T+Muy Tóxico

Clasificación: La inhalación y la ingestióno absorción cutánea en MUY pequeñacantidad, pueden conducir a daños deconsiderable magnitud para la salud,posiblemente con consecuenciasmortales.Precaución: Evitar cualquier contacto conel cuerpo humano , en caso de malestarconsultar inmediatamente al médico.

TTóxico

Clasificación: La inhalación y la ingestióno absorción cutánea en pequeña cantidad,pueden conducir a daños para la salud demagnitud considerable, eventualmente conconsecuencias mortales.Precaución: evitar cualquier contacto conel cuerpo humano. En caso de malestarconsultar inmediatamente al médico. Encaso de manipulación de estas sustanciasdeben establecerse partes especiales!

CCorrosivo

Clasificación: Sustancias y preparacionesque reaccionan exotérmicamente tambiénsin oxígeno y que detonan segúncondiciones de ensayo fijadas, puedenexplotar al calentar bajo inclusión parcial.Precaución: Evitar el choque, Percusión,Fricción, formación de chispas, fuego yacción del calor.


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XiIrritante

Clasificación: Sin ser corrosivas, puedenproducir inflamaciones en caso decontacto breve, prolongado o repetido conla piel o en mucosas. Peligro desensibilización en caso de contacto con lapiel. Clasificación con R43.Precaución: Evitar el contacto con ojos ypiel; no inhalar vapores.

NPeligro para el

medio ambiente

Clasificación: En el caso de ser liberadoen el medio acuático y no acuático puedeproducirse un daño del ecosistema porcambio del equilibrio natural,inmediatamente o con posterioridad.Ciertas sustancias o sus productos detransformación pueden alterarsimultáneamente diversoscompartimentos.Precaución: Según sea el potencial depeligro, no dejar que alcancen lacanalización, en el suelo o el medioambiente. Observar las prescripciones deeliminación de residuos especiales.

PRÁCTICA 1EXPERIENCIA 1: ESTÁTICA DE FLUIDOS Y SUS APLICACIONES

INTRODUCCIÓN

Un fluido es una sustancia que no resiste en forma permanente la distorsión. Si seintenta cambiar la forma de una masa del fluido, se produce un deslizamiento deunas capas de fluido sobre otras hasta que se alcanza una nueva forma. Durante elcambio de forma, existen esfuerzos cortantes, cuya magnitud depende de laviscosidad del fluido y de la velocidad del deslizamiento; pero cuando alcanza laforma final desaparecen todos los esfuerzos cortantes. Un fluido en equilibrio carecede esfuerzos cortantes. A una determinada presión y temperatura, un fluido poseeuna densidad definida. Si los cambios en la densidad son ligeros con cambiosmoderados en la temperatura y presión, al fluido se le llama no compresible; si loscambios en la densidad son significativos, al fluido se le denomina compresible. Loslíquidos se consideran no compresibles y los gases compresibles. La presión en unfluido estático se considera como la fuerza superficial que ejerce un fluido por unidadde área de las paredes del recipiente que lo contiene. En cualquier punto dentro delvolumen del fluido existe también una determinada presión. La presión hidrostáticaes la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido enreposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en


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movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica relacionada con lavelocidad del fluido.

Presión hidrostática = .g.h

Donde:

= densidad del fluido ; g = gravedad ; h : altura de la superficie del fluido

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluidoexperimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado

Empuje=peso= .g.V

El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido por laaceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.

OBJETIVOS

Realizar medidas de densidad, viscosidad y presión de diferentes fluidos. Calcular la presión hidrostática de distintos fluidos Demostrar el principio de Arquímedes

MATERIALES Y EQUIPOS

Dinamómetro e instrumentos varios.

Banco hidrostático:• Viscosímetro de esfera, diámetro del tubo 40 mm.;• Barómetro a lectura directa, 580 ÷ 800 mm, en intervalos de 1 mm.;• Termómetro, escala -10°C hasta +50°C;• Serie de tubos a superficie libre;• Hidrómetro universal, escala 0,80 hasta 2,00, en divisiones de 0,01;• Manómetro de Bourdon, 0 ÷ 2 bar; manómetro de mercurio en U;• Aparato para medidas de viscosidad con tubo capilar;• Aparato de Pascal;• Aparato para la calibración de manómetro, compuesto por un pistón de aceroinoxidable de 1 cm2 de sección, cilindrode bronce, plato porta pesos y serie de pesos de precisión para la determinacióndirecta de la presión estática;• Aparato para la determinación de la presión hidrostática, completo de balanza conbrazo graduado sobre soporte deCuchillo y pesos calibrados;• Aparato para la demostración del principio de Arquímedes, completo de balanza


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tipo leva, con escalas graduada dearco de doble lectura 0 ÷ 250 gr y 0 ÷ 1000 gr, vaso y cilindro de inmersión;• Bomba manual de aire.

Figura 1. Banco Hidrostático

TRABAJO EXPERIMENTAL

Experimentos realizables• Medida de presiones• Estudio de manómetros• Presión estática y su relieve• Medida de la densidad en distintas formas (por medio de garrafa e hidrómetro).• Medida de la viscosidad de un fluido por medio de viscosímetro de esfera y de tubocapilar• Centro de presión en superficies sumergidas• Principio de Arquímedes• Tensión superficial• Medida de niveles• Altura manométrica y su relación con la presión• Estudio de la presión hidráulica

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Equilibrio Hidrostático. Aplicaciones de la Estática de fluidos Presión hidrostática.


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Propiedades de los fluidos. Principio de Arquímedes.

EXPERIENCIA 2:

MEDICION DE VISCOSIDADES DE FLUIDOS NEWTONIANOS Y NONEWTONIANOS

INTRODUCCIÓN

Un fluido se clasifica en newtoniano y no newtoniano de acuerdo a la relación entrela tensión de corte y el gradiente de velocidad. Los fluidos newtonianos no presentanningún efecto sobre el aumento de la velocidad de corte. Los gases y la mayoría delos líquidos simples (agua, aceite, solventes, alcoholes, gasolina, etc) son ejemplosde fluidos newtonianos. Los fluidos no newtonianos se clasifican en varios tipos:Seudoplásticos (soluciones poliméricas, suspensiones de almidón, mayonesa,pinturas, latex de caucho); Plásticos de Bingham (aguas lodosas, materia grasa)Dilatantes (suspensiones de arcilla y yeso, harina de maíz, soluciones azucaradas,arena movediza y emulsiones de arena). Los gases y los líquidos tienen unapropiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistenciaa fluir ofrecida por un líquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión yla adherencia. La viscosidad se produce por el efecto de corte o deslizamientoresultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro y escompletamente distinta de la atracción molecular. Se puede considerar comocausada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases idealescomo en líquidos y gases reales.

El saber cuan viscoso es una solución nos permite saber por ejemplo su pesomolecular, es decir podemos determinar el peso molecular de una solucióndesconocida gracias al método de viscosidad. El poder estudiar la viscosidad de unasustancia nos ayuda a concluir cuanto varía con respecto a la temperatura, si esmás viscoso o menos viscoso, etc. El conocimiento de la viscosidad de un líquidonos ayuda en el área de mecánica de fluidos ya que podemos saber que tipo delíquido es importante y por qué usarlo en tal máquina para que esta funcione enóptimas condiciones. O porque usar tal lubricante para carro a tal temperatura yporque no usar otro. O tal vez en las bebidas como las cervezas, ya que laviscosidad influye mucho en el gusto de la persona, etc. El efecto de la temperaturasobre la viscosidad de u líquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas;mientras en este ultimo caso el coeficiente aumenta con la temperatura, lasviscosidades de los líquidos disminuyen invariablemente de manera marcada alelevarse la temperatura.

OBJETIVOS

Observar el efecto de la temperatura en la viscosidad de un líquido Realizar mediciones de viscosidad (utilizando varios viscosímetros) y

compararlas con datos teóricos de tablas


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EQUIPOS Y MATERIALES

Viscosímetro de Esfera Viscosímetro Zeitfuchs Viscosímetro de Cannon-Ubbelohde Viscosímetro de Cannon-Fenske Ruotine Viscosímetro Ostwald


1) Viscosímetro de esfera

Supondremos que la bolita ha alcanzado la velocidad límite constante cuando pasapor la marca superior, momento en el que se empieza a contar el tiempo. El valor dedicha velocidad se obtiene dividiendo el desplazamiento x entre el tiempo en el quetarda el móvil en desplazarse t.

La velocidad límite vl en m/s, La densidad de la esfera ρe y del fluido ρf en kg/m3

El radio R de la esfera en m Finalmente, se despejará la viscosidad η

2) Viscosímetro de Cannon Fenske


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Figura 2. Viscosímetro de Cannon Fenske

El viscosímetro de Cannon-Fenske consta de un tubo capilar inclinado con dosbulbos superiores en serie aguas arriba (bulbos A y B) y un bulbo aguas abajo(bulbo C), como se muestra en la Figura 2. El líquido se introduce por el extremoamplio hasta llenar unas ¾ partes del bulbo inferior. Con una perilla se succiona ellíquido por el extremo de los dos bulbos en serie hasta que su nivel superior seencuentra llenando el bulbo A, en tanto que su nivel en el bulbo inferior (C) estácerca del fondo del mismo. Se retira la perilla para provocar un flujo por gravedad.Se mide el tiempo en el que se vacía el bulbo B desde su marca superior hasta sumarca inferior. Este tiempo nos permite determinar el coeficiente de viscosidad dellíquido.

BIBLIOGRAFIA

MC CABE, SMITH, HARRIOTT. Operaciones Unitarias en Ingeniería química.Editorial Mc Graw Hill. Sexta edición. México 2002.

www.monografias.com

PRACTICA 2

EXPERIENCIA 1:VISUALIZACIÓN DE LINEAS DE FLUJO

INTRODUCCIÓN

Cuando entre dos partículas en movimiento existe gradiente de velocidad, o seaque una se mueve más rápido que la otra, se desarrollan fuerzas de fricción que


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actúan tangencialmente a las mismas. Las fuerzas de fricción tratan de introducirrotación entre las partículas en movimiento, pero simultáneamente la viscosidadtrata de impedir la rotación. Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas sepueden producir diferentes estados de flujo. Cuando el gradiente de velocidad esbajo, la fuerza de inercia es mayor que la de fricción, las partículas se desplazanpero no rotan, o lo hacen pero con muy poca energía, el resultado final es unmovimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas, y todas laspartículas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria.Este tipo de flujo fue identificado por O. Reynolds y se denomina “laminar”,queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en forma de capas oláminas. Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entrepartículas vecinas al fluido, y estas adquieren una energía de rotación apreciable, laviscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las partículas cambian detrayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas chocan entre sí ycambian de rumbo en forma errática. Éste tipo de flujo se denomina "turbulento".

El flujo "turbulento" se caracteriza porque:

Las partículas del fluido no se mueven siguiendo trayectorias definidas. La acción de la viscosidad es despreciable. Las partículas del fluido poseen energía de rotación apreciable, y se

mueven en forma errática chocando unas con otras. Al entrar las partículas de fluido a capas de diferente velocidad, su

momento lineal aumenta o disminuye, y el de las partículas vecina lahacen en forma contraria.

Cuando las fuerzas de inercia del fluido en movimiento son muy bajas, la viscosidades la fuerza dominante y el flujo es laminar. Cuando predominan las fuerzas deinercia el flujo es turbulento. Osborne Reynolds estableció una relación que permiteestablecer el tipo de flujo que posee un determinado problema. Para números deReynolds bajos el flujo es laminar, y para valores altos el flujo es turbulento. O.Reynolds, mediante un aparato sencillo fue el primero en demostrarexperimentalmente la existencia de estos dos tipos de flujo. Mediante colorantesagregados al agua en movimiento demostró que en el flujo laminar las partículas deagua y colorante se mueven siguiendo trayectorias definidas sin mezclarse, encambio en el flujo turbulento las partículas de tinta se mezclan rápidamente con elagua.

Experimentalmente se ha encontrado que en tubos de sección circular cuando elnúmero de Reynolds pasa de 2400 se inicia la turbulencia en la zona central deltubo, sin embargo este límite es muy variable y depende de las condiciones dequietud del conjunto. Para números de Reynolds mayores de 4000 el flujo esturbulento. Al descender la velocidad se encuentra que para números de Reynoldsmenores de 2100 el flujo es siempre laminar, y cualquier turbulencia es que seproduzca es eliminada por la acción de la viscosidad.

El paso de flujo laminar a turbulento es un fenómeno gradual, inicialmente seproduce turbulencia en la zona central del tubo donde la velocidad es mayor, pero


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queda una corona de flujo laminar entre las paredes del tubo y el núcleo centralturbulento. Al aumentar la velocidad media, el espesor de la corona laminardisminuye gradualmente hasta desaparecer totalmente. Esta última condición seconsigue a altas velocidades cuando se obtiene turbulencia total en el flujo. Paraflujo entre placas paralelas, si se toma como dimensión característica elespaciamiento de éstas, el número de Reynolds máximo que garantiza flujo laminares 1000. Para canales rectangulares anchos con dimensión característica laprofundidad, este límite es de 500; y para esferas con el diámetro como dimensióncaracterística el límite es la unidad.

OBJETIVO

Observar el comportamiento de un flujo laminar y de un flujo turbulento.


MATERIALES Y EQUIPO

Mini canal de Visualización de Flujo

Recipiente de alimentación de plexiglás transparente, capacidad 7 litros. Canal de trabajo de plexiglás transparente, 630x15x150 h mm. Recipiente de tinta e inyector, capacidad 0,5 litros. 3 vertedores. Compuerta Perfil alar. Cuerpo cilíndrico. Orificios.


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Figura 3: Mini Canal de visualización de flujo


- Flujo Laminar, velocidad de corte y tensión de corte.- Propiedades reológicas de los fluidos.- Turbulencia.- Número de Reynolds.- Capa Límite

EXPERIENCIA 2:VISUALIZACIÓN DE FLUJO EN CANALES

INTRODUCCIÓN

En los procesos industriales, los ingenieros tratan de manera frecuente con el flujode fluidos a través de tuberías, tubos y canales de conducción con seccióntransversal no circular. Normalmente las tuberías se llenan con fluidos enmovimiento, pero algunos problemas involucran el flujo en tuberías parcialmentellenas, en capas descendentes sobre superficies inclinadas o verticales, a través delechos de sólidos o en tanques agitados. En el flujo turbulento de un fluido a travésde un canal de conducción cerrado, la velocidad es cero en la interfase a causa de laadherencia del fluido a la pared del sólido, y aunque con frecuencia, no existencomponentes normales de la velocidad a la pared. Dentro de un delgado volumeninmediatamente adyacente a la pared, el gradiente de velocidad es esencialmenteconstante y en su mayor parte el flujo es viscoso. Este volumen recibe el nombre desubcapa viscosa. En un principio se supuso que esta subcapa tenía un espesordefinido y estaba siempre libre de remolinos, pero medidas experimentales hanmostrado que existen fluctuaciones de velocidad en la subcapa causadas porremolinos ocasionales procedentes del fluido turbulento que circula en esta región.

Siempre que varía la velocidad de un fluido, tanto en dirección como en magnitud, se


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genera una fricción adicional a la fricción en la superficie, debida al flujo a través dela tubería recta. Esta fricción incluye la fricción de forma, que se produce comoconsecuencia de los vórtices que se originan cuando se perturban las líneas decorriente normales y cuando tiene lugar la separación de la capa límite. En la mayorparte de los casos estos efectos no se pueden calcular con exactitud y es precisorecurrir a datos empíricos. Cuando se reduce de manera súbita la seccióntransversal del conducto, la corriente del fluido no puede adaptarse al bordepronunciado y la corriente pierde el contacto con la pared del conducto. Comoconsecuencia, se forma un torrente (o chorro) que se proyecta en el interior del fluidoestancado en la parte estrecha del conducto. El torrente primero se contrae y luegose expande hasta ocupar toda la sección estrecha, reestableciéndose la corriente desalida, desde el punto de contracción a la distribución normal de velocidad. Lasección del área mínima en la que el torrente pasa de la contracción a la expansiónrecibe el nombre de vena contracta.

OBJETIVOS

Estudiar los parámetros principales que afectan el flujo de un fluido encanales.

EQUIPO A UTILIZAR

Visualización de Flujo en CanalesDepósito cilíndrico dotado de una tobera acoplada a un tubo de cristal que permita lavisualización del fluido. Diámetro del Interior del tubo: 10mm. Diámetro Exterior delTubo: 13mm. Longitud de la tubería de Visualización: 700mm. Capacidad deldepósito del colorante: 0,3L. Capacidad del depósito de ensayo: 10L. Válvula decontrol de flujo: tipo membrana. La inyección del colorante se regula con una válvulade aguja. Sistema reconexión rápida incorporado.

REVISION BIBLIOGRAFICA

- Esfuerzo cortante (tensión de corte) y fricción de superficie en tuberías- Flujo laminar en tuberías y canales.- Distribución del esfuerzo cortante.- Distribución de velocidad.- Ecuación de Hagen-Poiseville.- Flujo turbulento en tuberías y canales.- Velocidad máxima y velocidad media.- Numero de reynolds- Efecto de válvulas, accesorios, contracciones y expansiones- Fricción debida a variaciones de velocidad o dirección.

BIBLIOGRAFÍA MC CABE, SMITH, HARRIOTT. Operaciones Unitarias en Ingeniería química.

Editorial Mc Graw Hill. Sexta edición. México 2002.


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PRACTICA 3

EXPERIENCIA 1:DEMOSTRACIÓN DEL TEOREMA DE BERNOULLI

INTRODUCCIÓN

En la mayoría de los problemas de flujo de fluidos que se presentan en ingeniería,intervienen corrientes que están influenciadas por superficies sólidas y que por lotanto contienen capas límite. Esto ocurre especialmente en el flujo de fluidos através de tuberías y otros equipos, en los que es posible que la corriente enteraposea flujo de capa límite. Para aplicar la ecuación de Bernoulli a estos casosprácticos, son necesarias dos modificaciones. La primera, normalmente de menorimportancia, es una corrección del término de la energía cinética debida a lavariación de la velocidad local con posición en la capa límite; la segunda, de mayorimportancia, consiste en una corrección de la ecuación debida a la existencia defricción del fluido, la cual aparece cada vez que se forma una capa límite. Además,la ecuación de Bernoulli corregida resulta de mayor utilidad en la resolución deproblemas de flujo de fluidos no compresibles, si se incluye en la ecuación el trabajorealizado sobre el fluido mediante una bomba. En un sistema de flujo se utiliza unabomba para aumentar la energía mecánica de un fluido en movimiento; dichoaumento se emplea para mantener el flujo, proveer energía cinética para compensarlas pérdidas de fricción y a veces incrementar la energía potencial.

Puesto que la ecuación de Bernoulli es sólo un balance de la energía mecánica, sedebe tomar en cuenta la fricción que tiene lugar en la bomba. La energía mecánicasuministrada a la bomba como trabajo de eje negativo hay que descontarla de esaspérdidas por fricción (fricción de las partes internas de la bomba) para obtener laenergía mecánica neta realmente disponible para el fluido en movimiento. Elprincipio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio deBernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de unalínea de corriente. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica(1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen decirculación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanececonstante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momentoconsta de tres componentes:

1.- Cinético: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.2.- Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.3.- Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión queposee.

La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernoulli)consta de estos mismos términos.


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donde:

V = velocidad del fluido en la sección considerada.g = aceleración gravitatoriaz = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.P = presión a lo largo de la línea de corriente.ρ = densidad del fluido.Constante = Cabezal o altura hidrostática

OBJETIVOS

Estudiar la ecuación de balance de energía mecánica a través de la ecuación deBernoulli.


MATERIALES A UTILIZAR: Demostración del Teorema de Bernoulli

Este módulo está formado principalmente por un conducto de sección circular con laforma de un cono truncado, transparente y otras siete llaves de presión, quepermitan medir simultáneamente los valores de presión estática correspondientes acada punto de las siete secciones. Rango del manómetro (0-470) mmH2O. Númerode tubos manométricos: 8. Diámetro estrangulamiento aguas arriba: 25mm.Estrechamiento: Aguas arriba 10º, Aguas abajo 21º. Sistema de conexión rápidoincorporado. Estructura de aluminio anodizado.

PROCEDIMIENTO:

Calcular el cabezal o altura hidráulica que requiere el sistema mediante laecuación de Bernoulli


- Ecuación de Bernoulli y balance de energía mecánica- Energía cinética de la corriente- Correcciones a la ecuación de Bernoulli

BIBLIOGRAFIA


EXPERIENCIA 2:DEMOSTRACIÓN DE OSBORNE-REYNOLDS


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INTRODUCCIÓN

El aparato de Osborne Reynolds ha sido diseñado para estudiar la marcha de losflujos verticales, laminares transitorios y turbulentos y además, los fenómenos develocidad crítica superior e inferior visibles a través de un tubo transparentecalibrado, usando una técnica de inyección del color similar a la del grupoexperimental original usado por el prof. Reynolds.

Está demostrado analíticamente que el significado físico del número de Reynoldsestá representado por la medida de la relación de la inercia de las fuerzas viscosasque actúan sobre un fluido. Es extremadamente importante permitir a los estudiantesde los cursos de mecánica de los fluidos visualizar la diferencia entre el flujo laminary turbulento y verificar que esta diferencia está reflejada empíricamente en lostérminos del número de Reynolds medido.

OBJETIVOS

Determinación experimental de la velocidad de flujo Estudio de flujos laminares, turbulentos y sus fenómenos transitorios Búsqueda del número de Reynolds.


MATERIALES A UTILIZAR:

Los principales componentes del grupo son:

Tanque cilíndrico de alimentación. Aguja de inyección color. Tanque de alimentación color. Válvula de regulación tinta. Flujómetro. Esferas de calma. Longitud del tubo de prueba: 900 mm. Diámetro interno del tubo de prueba: 12 mm. Máximo caudal del flujo de prueba: 150 l/h (H2O a 15°C) Temperatura máxima recomendada para el fluido de prueba: 52°C.

El equipamiento está construido totalmente en material plástico y montadorígidamente sobre un soporte de amplia base dotado de dispositivos de nivelaciónpara asegurar la máxima estabilidad y verticalidad del tubo de prueba.


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Figura 4. Aparato de Osborne-Reynolds

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1) El flujo operante puede ser derivado desde cualquier fuente por medio de unapropiado tubo con dispositivo para la regulación del caudal, suministrado con elaparato, y es introducido por medio de un difusor de anillo en el recipiente cilíndricode alimentación.

2) Mediante un lecho particular de batiente constante se eliminan las variaciones dela velocidad del flujo y se determinan condiciones uniformes de baja velocidad en lacarga antes de la entrada del tubo de prueba vertical.

3) Luego se introduce el fluido en el tubo de prueba, con pantalla de fondo blancopara evidenciar la traza del color a través de una boca con perfil particular estudiadopara acelerarlo uniformemente sin algún efecto inercial espurio.

4) La solución coloreada utilizada es enviada a la sección de prueba a través de untubo de diámetro pequeñísimo y el valor del flujo de color es controlado por unaválvula en salida del tanque.

5) Mediante una válvula especial, colocada a la base del aparato, se regula el flujodel fluido en salida de la sección de prueba y su valor es medido volumétricamentepor medio de un flujómetro.

6) El aparato de Osborne Reynolds es compatible con cualquier medio elegido paravariar la viscosidad cinemática del fluido, usando diferentes fluidos, a excepción dedisolventes y alcoholes, o alterando la temperatura del fluido dado


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PRACTICA 4EXPERIENCIA 1:

DETERMINACIÓN DEL PERFIL DE PRESIÓN USANDO UN TUBO DE PITOT

INTRODUCCIÓN

La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinación de lacantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo.Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan,habitualmente, caudalímetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidadparticular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir yjustificar el volumen que ha circulado por la conducción. Los medidores de caudalvolumétrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas:

• Directamente, mediante dispositivos de desplazamiento positivo, o

• Indirectamente, mediante dispositivos de: presión diferencial, área variable,velocidad, fuerza, etc.

Tubo Pitot:

El tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial ytambién conocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. En su formamás sencilla, un pequeño tubo con la entrada orientada en contra del sentido de lacorriente del fluido. La velocidad del fluido en la entrada del tubo se hace nula, al serun punto de estancamiento, convirtiendo su energía cinética en energía de presión,lo que da lugar a un aumento de presión dentro del tubo de Pitot.

La presión estática es aquella que se registra durante un proceso en régimen, esdecir, cuyo valor permanece invariante en el tiempo (constante). Presión dinámica esla presión de impacto o de choque. Se trata de una presión instantánea quenormalmente se la asocia a un impacto o choque. No obstante, la presión dinámicano debe ser omitida en un estudio, pues pese a su carácter instantáneo o de cortaduración, puede variar muy bruscamente alcanzando valores inadmisibles (ya seapor exceso o por defecto) para la instalación (normalmente una tubería), y es muynormal que dicha presión sea varias veces superior a la presión estática si no setoman las debidas precauciones.


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Donde:

V = velocidad en el punto de impacto del tubo pitot (velocidad del fluido)Ptotal - Pestatica = lectura del tubo pitot (presión)ρ = densidad del fluido

OBJETIVO

Utilizar adecuadamente el tubo de pitot para medir la presión o velocidad deun fluido (caudal)



Realizar varias medidas de presión con el tubo pitot para determinar el caudalde aire presente en la tubería

REVISIÓN BIBLIOGRAFICA

Principales medidores de presión diferencial:

placas de orificio. Toberas. tubos Venturi tubos Pitot. Codos. medidores de área variable.

BIBLIOGRAFIA



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EXPERIENCIA 2:DEMOSTRACIÓN DE SISTEMAS DE MEDIDAS DE FLUJO

INTRODUCCIÓN

Para el control de los procesos industriales, es esencial conocer la cantidad dematerial que entra y sale del proceso. Puesto que los materiales se transportan enforma fluida, siempre que sea posible, se requiere medir la velocidad con la que unfluido circula a través de una tubería u otra conducción. En la industria se utilizanmuchos tipos diferentes de medidores. La selección de un medidor se basa en laaplicabilidad del instrumento a un problema específico, su costo de instalación y deoperación, el intervalo de la velocidad de flujo a la que puede adaptarse y suexactitud inherente. A veces una indicación aproximada de la velocidad de flujo estodo lo que se necesita; otras veces una medición sumamente exacta, normalmentede la velocidad de masa de flujo, se requiere para propósitos como controlar laalimentación de un reactor o transferir el resguardo del fluido de un propietario aotro.Algunos tipos de medidores de flujo miden la velocidad volumétrica másica de flujodirectamente, pero la mayoría mide esta velocidad o la velocidad media del fluido, apartir de la cual puede calcularse la velocidad volumétrica de flujo. Para convertir lavelocidad volumétrica a la velocidad de flujo másica se necesita que la densidad delfluido bajo las condiciones de operación sea conocida. Muchos medidores operansobre todo el fluido dentro de la tubería o conducto y se conocen como medidoresde perforación total. Otros, llamados medidores de inserción, miden la velocidad deflujo, o más común la velocidad del fluido, en un solo punto.

Ecuación del medidor Venturi:

Q = V.A =)(2

1. PACo

donde:

Q = caudal del fluidoV = velocidad en la gargantaA = área de la gargantaCo = coeficiente de venturi (aprox 0,98 ó 0,99)ΔP = caída de presión medidaρ= densidad del fluidoβ= relación de diámetros (diámetro menor / diámetro mayor)

OBJETIVOS

Estudio de los diferentes dispositivos para la medición del flujo: venturi,diafragma calibrado, rotámetro.

Comparación de las medidas con los diferentes dispositivos.


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Figura 6. Medidores de Flujo

REVISIÓN BIBLIOGRAFICA

Medidor Venturi Medidores de Orificio Rotámetros Medidores Objetivo Medidores de turbina Medidores de desplazamiento positivo Medidores magnéticos Medidores ultrasónicos Medidores Coriolis Medidores de inserción Medidores térmicos

BIBLIOGRAFÍA



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PRACTICA 5LECHOS FLUIDIZADOS

INTRODUCCIÓN

En numerosos procesos técnicos circulan líquidos o gases a través de lechos departículas sólidas. Ejemplos importantes de estos procesos son la filtración y el flujoen contracorriente de las dos fases, líquida y gaseosa, a través de torresempacadas. En filtración, el lecho de sólidos está formado por pequeñas partículasque se separan del líquido mediante una tela filtrante o un tamiz fino. En otrosprocesos, tales como en el intercambio iónico o en reactores catalíticos, un solofluido (líquido o gas) fluye a través de un lecho de sólidos granulares. Cuando unlíquido o un gas pasan a muy baja velocidad a través de un lecho de partículassólidas, las partículas no se mueven; si la velocidad del fluido se aumenta demanera progresiva, aumenta la caída de presión y el rozamiento sobre las partículasindividuales y eventualmente las partículas comienzan a moverse y quedansuspendidas en el fluido. Las expresiones fluidización y lecho fluidizado se utilizanpara describir la condición de las partículas completamente suspendidas, toda vezque la suspensión se comporta como un fluido denso. Si el lecho está inclinado, lasuperficie superior permanece horizontal y los objetos grandes flotarán odescenderán en el lecho, dependiendo de su densidad en relación con la de lasuspensión. Es factible descargar los sólidos fluidizados del lecho a través detuberías y válvulas como si se tratara de un líquido. Esta fluidez es la principalventaja del uso de la fluidización para el manejo de sólidos.

Tipos de Fluidización:

Cuando se fluidiza arena con agua (líquido con lecho sólido), las partículas seencuentran más separadas y su movimiento es más vigoroso a medida que aumentala velocidad de fluidización, aunque la densidad media del lecho a una velocidaddada es la misma que en todas sus secciones. Esta se denomina fluidizaciónparticulada y se caracteriza por una expansión grande peor uniforme del lecho avelocidades elevadas.

Los lechos de sólidos fluidizados con aire presentan lo que se denomina fluidizaciónagregativa o de burbujeo. Las burbujas que se forman se comportan mucho a lasburbujas de aire en agua o las de un vapor en un líquido en ebullición y a veces seaplica el término de lecho en ebullición a este tipo de fluidización. Los estudios quetienen en cuenta las velocidades de transferencia de calor o masa, o de reacciónquímica en un lecho de burbujeo, se citan a veces como teoría de fluidización en dosfases, donde las burbujas son una de las fases y el lecho denso de partículassuspendidas es la segunda fase. Cuando la velocidad superficial del gas aumenta avalores muy por encima de la velocidad mínima de fluidización hay una transición defluidización de burbujeo a la que se llama fluidización turbulenta o fluidización rápida.La transición ocurre cuando el lecho se ha expandido tanto que no es posible unamayor fase de burbujeo. La fase gaseosa es continua y hay pequeñas regiones dealta o baja densidad del lecho, con una rápida fluctuación de densidad en todos lospuntos del lecho.


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OBJETIVOS

Determinar de manera experimental el rango de fluidización de lechosconstituidos por partículas de diferentes diámetros.

Determinar la ubicación específica del punto donde se inicia la fluidización dellecho de partículas mediante el uso de recursos gráficos.

Observar los cambios que se producen al modificar el diámetro de partículaen la curva característica de la fluidización del lecho.

Determinar los cambios que se producen en la porosidad de un lecho poracción de un flujo.


MATERIALES A UTILIZAR

Aparato para el Estudio de lechos fijos y fluidizados

•2 columnas cilíndricas, de plástico transparente, capacidad 1 litroaproximadamente, con fondo de bronce, con puntos de toma de muestras.• 2 manómetros para medir la caída de presión del lecho.• Medidor de flujo del aire (25 litros/min).• Medidor de flujo del agua (2 litros/min).• Bomba aire.• Bomba del agua.• Material para el lecho de dos formatos.• Dispositivos de seguridad.

PROCEDIMIENTO

Realizar la gráfica velocidad (se calcula con el número de reynolds) vs. caídade presión del lecho


- Rozamiento y coeficientes de rozamientos.- Flujo a través de lechos sólidos.- Movimiento de partículas a través de fluidos.- Fluidización.

BIBLIOGRAFIA



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PRACTICA 6PERDIDAS DE CARGAS LOCALES

INTRODUCCIÓN

En estructuras largas, la perdida por fricción es muy importante, por lo que es unobjeto de constante estudio teórico experimental para obtener resultados técnicosaplicables. Es muy importante la diversidad actual de sistemas de transporte defluidos; se componen de tuberías y conductos, tienen una extensa aplicación comoson: las plantas químicas y refinerías; parecen un laberinto de tuberías, lo mismopasa con las plantas de producción de energía que contienen múltiples tuberías yconductos para transportar los fluidos que intervienen en los procesos de conversiónde energía. Los sistemas de suministro de agua a las ciudades y de saneamientoconsisten en muchos kilómetros de tubería. Muchas maquinas están controladas porsistemas hidráulicos donde el fluido de control se transporta en mangueras o tubos.Para solucionar los problemas prácticos de los flujos en tuberías, se aplica elprincipio de la energía, la ecuación de continuidad y los principios y ecuaciones de laresistencia de fluidos. La resistencia al flujo en los tubos, es ofrecida no solo por lostramos largos, sino también por los accesorios de tuberías tales como codos yválvulas, que disipan energía al producir turbulencias a escala relativamentegrandes.

Pérdidas en accesorios

Hf = K.V2 / 2.g donde:

K = constante de resistencia del accesorio

V = velocidad del fluido

g= gravedad

Longitud equivalente

L = K.D/f donde:

D = diámetro de tubería

f= factor de fricción

K = constante de resistencia del accesorio

OBJETIVOS

Determine experimentalmente las pérdidas de energía debidas a la fricción entuberías y accesorios.


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Encuentre correlaciones para el factor de fricción en tuberías como funcióndel número de Reynolds y de la rugosidad relativa.

Compare los factores de fricción experimentales con los reportados en laliteratura.

Determine la longitud equivalente o el coeficiente de descarga para diversosaccesorios.

TRABAJO EXPERIMENTALMATERIALES Y EQUIPOS

Equipo de estudio de pérdidas de carga:

Alimentación hidráulica

- Electrobomba centrifuga: 0,36 kW.- Recipiente de PVC con tapa, capacidad: 100 l.- Medidor de flujo de plexiglass.- Manómetro para el control de la presión en la entrada.

Tuberías de prueba

- Tubos lineales diámetro int. 16 mm, 10 mm.- Tubo con curvas de radio ancho y de radio estrecho.- Tubo con curvas de radio de 45° y 90°.

Juego de válvulas en prueba

- Válvulas de bola de diferente calibre.- Válvula de aguja.- Válvula de mariposa, válvula de compuerta, válvula de membrana.

Órganos para la medida del caudal

- Diafragma calibrado.- Tubo de Venturi.- Contador volumétrico de turbina.

Órgano para la medida de la velocidad

- Cámara de prueba con tubo de Pitot.

Órgano para la medida de las presiones

- Manómetro de U de mercurio con escala 400÷0÷400 mm.- Manómetro diferencial con escala 0 ÷ 400 mbar.


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Figura 5. Equipo de estudio de pérdidas de carga locales


1) Se abren todas las válvulas de paso del circuito y se enciende la bomba. Parte delaire en el circuito resulta evacuado en esta operación.

2) Se cierran las válvulas de bola para cancelar el flujo por todas las tuberías,excepto una, empezando por mantener el flujo en la tubería inferior, luego en lasintermedias y finalmente en la superior. En esta operación el aire remanente en lastuberías debe ser completamente evacuado. Las válvulas de purga de aire puedenauxiliar también en esta operación.

3) Conectar las tomas de presión a un accesorio o tubo que se desee inspeccionar,purgar las tomas de presión y hacer las mediciones de caída de presión paradiversos flujos volumétricos, midiéndolos mediante el tiempo que circula un volumendado de fluido y cambiándolos por medio de las válvulas de control de flujo.

4) Fijar un flujo volumétrico por medio de las válvulas de control de flujo y medirlomediante el tiempo que circula un volumen dado de fluido. Conectar las tomas depresión, purgarlas y efectuar las mediciones Secuencialmente, para todos los tubosy accesorios que se deseen inspeccionar, verificando de tiempo en tiempo que elflujo volumétrico permanezca constante.

5) Para cada uno de los tubos se encontrarán pares de valores del número deReynolds contra el factor de fricción, así como un estimado de su rugosidad relativa.Estos resultados se presentarán en forma gráfica y tabular.

BIBLIOGRAFIA



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BOMBAS EN SERIE Y EN PARALELO

INTRODUCCIÓN

El transporte de fluidos implica un gasto de energía, esta debe ser la necesaria paravencer las perdidas que puedan haber (fricción, gravedad, etc.) al llevarlas de unsitio a otro. El movimiento puede ser producido por gravedad, desplazamiento,transferencia de cantidad de movimiento, fuerza centrifuga, etc., los cuales songenerados por diferencias de altura o por dispositivos denominados bombas. Enlíneas generales las bombas se clasifican en las de desplazamiento positivo ycentrífugas. Las de desplazamiento positivo aplican presión directamente al líquidopor un pistón reciprocante o por miembros rotatorios, los cuales forman cámarasalternadamente llenas o vacías del líquido.

Una bomba centrífuga, es una máquina cuya función es impulsar fluidos mediante laaceleración radial y hacia afuera de los mismos. La uniformidad y manejo degrandes caudales, fácil control y bajo costo, hacen preferibles a las bombascentrífugas en cualquiera de los casos, en los que es necesaria una presiónrelativamente alta y un pequeño caudal, o donde la viscosidad del fluido seademasiado alta. Las bombas centrífugas constan fundamentalmente de uno o másimpulsores, estos aumentan la presión y energía cinética del fluido bombeado. Unacámara de presión o difusor convierte gran parte de la energía cinética en carga oenergía de presión antes que el fluido abandone la bomba. Cada bomba centrífugatiene su curva característica, que es la relación entre el caudal y la presión o cabezala elevar cuando se emplea una velocidad constante del impulsor (al variar el númerode revoluciones por minuto, se modifica la curva característica)

A una diferencia de presión nula se obtiene el máximo caudal, pero sin trabajo útil. Amedida que aumenta la resistencia externa o la presión, disminuye el caudal hastaanularse a una determinada presión; a esta se le denomina presión de cierre, ytampoco genera trabajo útil. Entre estos dos límites, el caudal y la presión están enuna relación fija para cada velocidad de giro del impulsor. En general, la potenciaabsorbida aumenta desde un mínimo para la presión mas alta, hasta un máximopara un caudal sensiblemente mayor que el de optimo rendimiento. El punto defuncionamiento previsto en cualquier proyecto debe estar lo mas cerca posible delpunto de máximo rendimiento. En las bombas, la densidad del líquido no cambia enforma apreciable y es posible considerarla constante.

Bombas en serie o paralelo: si el caudal de una sola bomba no fuese suficiente,puede aumentarse el caudal conectando varias bombas en paralelo. Por elcontrario, cuando no basta una sola bomba centrífuga para vencer la altura ocabezal deseado, se efectúa la conexión de varias bombas, una a continuación de laotra (en serie). En el funcionamiento en serie se suman las alturas de elevación ocabezal de cada una de las bombas para el mismo caudal elevado.


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Caída de Presión:P = Pd – PsPd = Presión de descargaPs = Presión de succiónP = Caída de presión

Carga total:H = (P * gc) / ( * g)H = Carga total = Densidad del fluidog = Gravedadgc = Factor de conversión gravitacional

Potencia teórica:Pt = I * VV = VoltajeI = IntensidadPt = Potencia teórica suministrada

Potencia real:Pr = (Q * H * * g) / gcPr = potencia realQ = CaudalH = Carga total = Densidad del aguag = Gravedadgc = Factor de conversión gravitacional

Eficiencia: = (Pr / Pt) * 100Pt = Potencia teórica suministradaPr = Potencia real = Eficiencia porcentual

OBJETIVOS

Determinación de las curvas características con bombas que funcionan enparalelo a la misma velocidad

Determinación de las curvas características con bombas que funcionan enserie a la misma velocidad


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Grupo de prueba de bombas centrífugas

Dos bombas centrífugas de rodete abierto, accionadas por motores trifásicosasíncronos de 2 velocidades tipo Dahlander; potencia 0,8 - 1,1 kW a 1450-2900 r.p.m., caudal 25 a 80 l/min. altura de impulsión 1,3 a 0,9 bar.

Recipiente de alimentación, capacidad 350 litros Recipiente graduado, 150 lt., para la medición del caudal Tuberías y válvulas de interceptación. Vacuómetro Manovacuómetro 2 manómetros 2 flujómetros Válvula de regulación

Figura 7. Grupo de prueba de bombas centrífugas


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Poner en marcha las dos bombas maniobrando las válvulas de la instalaciónde forma que funcionen en serie o paralelo

Utilizar el depósito volumétrico del banco hidráulico para obtener los caudalesde circulación.

Anotar los diferentes valores de presión y potencia obtenidos para loscaudales proporcionados por las bombas (serie y paralelo).

Con los datos obtenidos para cada bomba, realizar los cálculoscorrespondientes y construir los gráficos de cabeza (H) Vs caudal (Q) ycaudal (Q) Vs eficiencia (), para definir de esta manera el punto de optimorendimiento de dichas bombas en serie y paralelo


- Características de una bomba: caudal, altura de elevación, potencia,

rendimiento y número de revoluciones.

- Curva característica de una bomba centrífuga.

- Curva característica del sistema

- Diagrama de los rendimientos.

BIBLIOGRAFÍA



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EXPERIENCIA: 2DEMOSTRACIÓN DEL FENÓMENO DE CAVITACIÓN

INTRODUCCIÓN

La cavitación es un fenómeno muy importante de la mecánica de los fluidos y departicular influencia en el funcionamiento de toda maquina hidráulica. En las últimasdécadas la tecnología del diseño de turbinas y bombas centrífugas ha tenido unavance importante, el cual sumado a los incrementos en los costos de fabricación,ha llevado a desarrollar equipos con mayores velocidades específicas paraminimizar esta influencia, lo que determina un incremento en el riesgo de problemasen la succión, especialmente cuando operan fuera de su condición de diseño.

Cuando una persona se encuentra ante el problema de seleccionar una turbina obomba adecuada, generalmente recurre a aquella que le brinda el mayorrendimiento, con la menor inversión inicial. Si en la etapa previa sólo se suministranlos valores de caudal, la altura de impulsión y el fluido la selección del equipoquedará en manos del fabricante que tratará de cotizar el equipo de menor precio.Pero, no existirán otros parámetros que deban ser tomados en cuenta? Claro que sí,nadie como el usuario ha de conocer la instalación por la cual ha de operar la bombay es más, es probable que el sistema diseñado para la succión, debido a unasolución económica exigida, haga que no se encuentre en el mercado la bomba quepueda garantizarle en rendimiento sin problemas en el futuro.

Por cavitación se entiende la formación de bolsas localizadas de vapor dentro delliquido, pero casi siempre en las proximidades de las superficies sólidas que limitanel liquido. En contraste con la ebullición, la cual puede ser causada por laintroducción de calor o por una reducción de la presión estática ambiente del líquido,la cavitación es una vaporización local del líquido, inducido por una reducciónhidrodinámica de la presión. Esta zona de vaporización local puede ser estable opulsante, y esto altera usualmente el campo normal del flujo. Este fenómeno secaracteriza, entonces, por la formación de bolsas (de vapor y gas) en el interior yjunto a los contornos de una corriente fluida en rápido movimiento.

La condición física fundamental para la aparición de la cavitación es, evidentemente,que la presión en el punto de formación de estas bolsas caiga hasta la tensión devapor del fluido en cuestión. Puesto que las diferencias de presión en máquinas quetrabajan con líquido son normalmente del mismo orden que las presiones absolutas,es claro que esta condición puede ocurrir fácilmente y con agua fría, donde lapresión de vapor es de alrededor de 20 cm sobre el cero absoluto. Las regiones dedepresión local solo pueden existir como consecuencia de la acción dinámica delmovimiento, y una forma de esta acción proviene de la inevitable conversión de lapresión en energía cinética. Las consecuencias ó, mejor dicho, los fenómenosacompañantes de la cavitación, tal como pérdida de sólidos en las superficies límites(llamado erosión por cavitación o pitting), ruidos generados sobre un ancho espectrode frecuencias, vibraciones, pérdidas y alteraciones de las propiedadeshidrodinámicas pueden - con pocas excepciones - ser consideradas comoperjudiciales y por lo tanto indeseables.


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Por lo tanto este fenómeno debe ser evitado o, como mínimo, puesto bajo control.Los efectos no perjudiciales de la cavitación incluyen su uso para limpieza, o enbombas de condensación donde la cavitación puede ser utilizada como regulador deflujo. La cavitación destruirá toda clase de sólidos: los metales duros, concreto,cuarzo, metales nobles, etc. Sin embargo la cavitación no constituye un fenómenoinevitable, sino un efecto que debe ser juzgado y evaluado desde el punto de vistaeconómico.

Pero el fenómeno de cavitación ocurre precisamente a bajas presiones, ello quieredecir que en la práctica los líquidos ya están "desgarrados". A estas fracturas previasse las denomina "núcleos de cavitación" mencionados anteriormente, y son losiniciadores del proceso. Estos núcleos son diminutas burbujas de gases adheridas amateriales sólidos presentes en los líquidos, burbujas retenidas en fisuras en losconductos de transporte del mismo, o gases absorbidos por el líquido. Estos núcleosal ser sometidos a una zona de baja presión comienzan a expandirse. Si aún siguedisminuyendo la presión en una magnitud tal que se alcance la presión de vapor delfluido a la temperatura respectiva, entonces el líquido que rodea a este núcleo (microburbuja) se vaporiza y comienza a crecer hasta que se hace visible en forma deburbuja. Si en el líquido hay disuelto otros gases, ellos también pueden colaborar enformar esta cavidad por difusión de los mismos, cuando las condiciones físicas (depresión y temperatura) lo permitan.

Tipos de cavitación:

Por lo dicho precedentemente hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otroestando el líquido estático:

(a) Cavitación por flujo(b) Cavitación por ondas

Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberías donde la presión estática del líquidoalcanza valores próximos al de la presión de vapor del mismo, tal como puedeocurrir en la garganta de un tubo venturi, a la entrada del rodete de una bombacentrífuga o a la salida del rodete de una turbina hidráulica de reacción. Losejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el líquido en reposo, por él sepropagan ondas, como las ultrasónicas [denominándose Cavitación Acústica, otípicas ondas por reflexión sobre paredes o superficies libres debido a ondas decompresión o expansión fruto de explosiones y otras perturbaciones como en elcaso del golpe de ariete, denominadas Cavitación por Shock

Contenido de aire

Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la cavitación, debidoa que originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido levadode aire (presión parcial de aire) disminuye la velocidad de implosión. Con uncontenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación, ya que la resistenciaa la tracción del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable.


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Para un contenido de un 10% del valor de saturación la cavitación comienza alalcanzar la presión de vapor. Con elevados contenidos de aire la presión para elcomienzo de la cavitación es superior a la presión de vapor, ya que en este caso elcrecimiento de las burbujas está favorecido por la difusión de gas en el líquido.

Implosión de la burbuja

La bolsa, ya aumentada de tamaño, es arrastrada a una región de mayor presión yfinalmente estalla, mejor dicho, implota. Esta acción periódica está generalmenteasociada a un fuerte ruido crepitante. El aumento de tamaño de las burbujas obolsas reduce los pasajes aumentando así la velocidad de escurrimiento ydisminuyendo por lo tanto más aun la presión. Tan pronto como la presión en lacorriente supera la tensión de vapor después de pasar la sección más es trecha , seproduce la condensación y el colapso de la burbuja de vapor. La condensación tienelugar instantáneamente. El agua que rodea a las burbujas que estallan golpeanentonces las paredes u otras partes del fluido, sin amortiguación alguna. Teniendoen cuenta la condensación del vapor, con distribución espacial uniforme y ocurriendoen un tiempo muy corto, puede ser tomado por cierto que las burbujas no colapsanconcéntricamente. Se ha analizado el desarrollo de una burbuja en la vecindad deuna pared, teóricamente, y calculado el tiempo de implosión y la presióndemostrándose que la tensión superficial acelera la implosión y aumenta los efectosde la presión. Muchos efectos trae aparejado el colapso de la burbuja, relacionadoscon los diferentes parámetros tales como la influencia del gradiente de presión, ladeformación inicial en la forma de la burbuja, velocidad del fluido en la vecindad delos límites sólidos, etc.

OBJETIVOS

Estudiar el fenómeno de cavitación Visualización del fenómeno de cavitación dentro de una conducción forzada.



a) Especificaciones estructurales:

Estructura inoxidable. Tornillos, tuercas, chapas y todos los elementos metálicos de acero

inoxidable. Diagramas en paneles frontales con similar distribución de los elementos a la

realidad. Conexiones rápidas para adaptación a la fuente hidráulica de alimentación.


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b) Datos técnicos:

Rango del manómetro: 0 a 2,5 bar. Rango del vacuómetro: de -1 a 0 bar. Sección mínima de paso: 36 mm2. Sección normal: 150 mm2. Sistema de conexión rápida incorporado. Estructura de aluminio anodizado.

Figura 8. Demostración de Cavitación

BIBLIOGRAFÍA

MARCHEGIANI, Ariel. Cátedra de máquinas hidráulicas.


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AGITACIÓN Y MEZCLA

INTRODUCCIÓN

La agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquieraun movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Los objetivos de laagitación pueden ser: Mezcla de dos líquidos miscibles (ej: alcohol y agua) Disolución de sólidos en líquido (ej.: azúcar y agua) Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o enfriamiento) Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación) Dispersión de partículas finas en un líquido Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en la leche)

Generalmente el equipo consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto), y unagitador mecánico, montado en un eje y accionado por un motor eléctrico. Lasproporciones del tanque varían ampliamente, dependiendo de la naturaleza delproblema de agitación. El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin deeliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penetrarían las corrientes delfluido. La altura del líquido, es aproximadamente igual al diámetro del tanque. Sobreun eje suspendido desde la parte superior, va montado un agitador. El eje estáaccionado por un motor, conectado a veces, directamente al mismo, pero con mayorfrecuencia, a través de una caja de engranajes reductores. El agitador crea un ciertotipo de flujo dentro del sistema, dando lugar a que el líquido circule por todo elrecipiente y vuelva de vez en cuando al agitador.

TIPOS DE AGITADORES:

Los agitadores se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al ejedel agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Losprimeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial.Los tres tipos principales de agitadores son, de hélice, de paletas, y de turbina. Cadauno de estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que noconsideraremos aquí. En algunos casos también son útiles agitadores especiales,pero con los tres tipos antes citados se resuelven, quizás, el 95% de los problemasde agitación de líquidos.

Agitadores de Hélice

Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevaday se emplea para líquidos pocos viscosos. Los agitadores de hélice más pequeños,giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; los mayores giran de400 a 800 rpm. Las corrientes de flujo, que parten del agitador, se mueven a travésdel líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o lasparedes del tanque.


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La columna de remolinos de líquido de elevada turbulencia, que parte del agitador,arrastra en su movimiento al líquido estancado, generando un efectoconsiderablemente mayor que el que se obtendría mediante una columnaequivalente creada por una boquilla estacionaria. Las palas de la hélice cortan ofriccionan vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes deflujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño. Paratanques extraordinariamente grandes, del orden de 1500m3 se han utilizadoagitadores múltiples, con entradas laterales al tanque. El diámetro de los agitadoresde hélice, raramente es mayor de 45 cm, independientemente del tamaño deltanque. En tanques de gran altura, pueden disponerse dos o más hélices sobre elmismo eje, moviendo el líquido generalmente en la misma dirección. A veces dosagitadores operan en sentido opuesto creando una zona de elevada turbulencia enel espacio comprendido entre ellos.

Agitadores de Paletas

Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado pr una paleta plana, quegira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores formados por dos y 3paletas. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque,impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento verticalrespecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes delíquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen haciaarriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la forma del fondo deltanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie o pasan sobre ellacon una holgura muy pequeña. Un agitador de este tipo se conoce como agitador deancla. Estos agitadores son útiles cuando se desea evitar el depósito de sólidossobre una superficie de transmisión de calor, como ocurre en un tanqueenchaquetado, pero no son buenos mezcladores. Generalmente trabajanconjuntamente con un agitador de paletas de otro tipo, que se mueve con velocidadelevada y que gira normalmente en sentido opuesto. Los agitadores industriales depaletas giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150 rpm. La longitud delrodete de un agitador de paletas es del orden de 50 al 80% del diámetro interior deltanque. La anchura de la paleta es de un sexto a un décimo de su longitud. Avelocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitación suave, en untanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las cuales son necesarias paravelocidades elevadas. De lo contrario el líquido se mueve como un remolino que giraalrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.

Agitadores de Turbina

La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, quegiran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentrodel tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rodetepuede ser abierto, semicerrado o cerrado. El diámetro del rodete es menor que en elcaso de agitadores de paletas, siendo del orden del 30 al 50% del diámetro deltanque.


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Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; enlíquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se extienden por todo eltanque y destruyen las masas de líquido estancado. En las proximidades del rodeteexiste una zona de corrientes rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzoscortantes. Las corrientes principales son radiales y tangenciales. Las componentestangenciales dan lugar a vórtices y torbellinos, que se deben evitar por medio deplacas deflectoras o un anillo difusor, con el fin de que el rodete sea más eficaz.

El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, seemplea para dispersar o disolver un gas en un líquido. El gas entra por la parteinferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen enmuchas pequeñas, con lo cual se aumenta grandemente el área interfacial entre elgas y el líquido.

Formas de evitar remolinos:

Colocando el agitador fuera del eje central del tanque. En tanques pequeñosse debe colocar el rodete separado del centro del tanque, de tal manera que eleje del agitador no coincida con el eje central del tanque. En tanques mayores elagitador puede montarse en forma lateral, con el eje en un plano horizontal, perono en la dirección del radio.

Instalando placas deflectoras. Estas son placas verticales perpendiculares a lapared del tanque. En tanques pequeños son suficientes 4 placas deflectoras,para evitar remolinos y formación de vórtice. El ancho de las placas no debe sermayor que un doceavo del diámetro del tanque. Cuando se usan agitadores dehélice, el ancho de la placa puede ser de un octavo del diámetro del tanque. Si eleje del agitador está desplazado del centro o inclinado, no se necesitan placasdeflectoras.

Cuando no se presentan remolinos, el tipo de flujo específico depende del tipo derodete:

Los agitadores de hélice impulsan el líquido hacia el fondo del tanque, desdedonde la corriente se extiende subiendo por las paredes y retornando hacia lahélice. Se emplean cuando se desean intensas corrientes verticales, por ejemplopara mantener en suspensión partículas sólidas pesadas. No se emplean cuandola viscosidad del líquido es superior a los 5.000 centipoises.

Los agitadores de paletas producen un flujo radial intenso en el plano próximo alas palas, pero prácticamente no dan lugar a corrientes verticales. Estosagitadores no son eficaces para mantener sólidos en suspensión.

Los agitadores de turbina impulsan al líquido radialmente contra las paredeslaterales del tanque, desde donde la corriente se divide, una parte fluye haciaarriba y otra parte hacia el fondo, retornando ambas al rodete. Por lo queproducen dos corrientes de circulación separadas. Dan excelentes resultados enla mezcla de líquidos que tienen aproximadamente la misma densidad relativa.


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Reynolds:

Potencia requerida:

Donde:Da = diámetro del agitadorN = revoluciones por minuto (rpm)ρ= densidad del fluidoKt = constante de agitaciónμ = viscosidad del fluido

OBJETIVO

Determinar la potencia requerida por un agitador para realizar una mezcla defluidos o sustancias.

TRABAJO EXPERIMENTALMATERIALES Y EQUIPOSAparato para el Estudio de la mezcla de los Líquidos

Estructura de acero inoxidable AISI 304 Recipiente de 25 litros en material plástico transparente, completo de válvula

de descarga y placas deflectoras removibles. Barra del agitador en acero inoxidable AISI 304 8 agitadores con diseño diferentes, en acero inoxidable AISI 304 Motor de velocidad variable. Sistema electrónico de medida de la velocidad y de la potencia absorbida


Tanques agitados. Agitadores. Mezcla y mezclado. Selección de Agitador y escalamiento

BIBLIOGRAFÍA


NDRe2a

5a

3T DNKP


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EXPERIENCIA 2:VACIADO DE TANQUES Y DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE

DESCARGA

INTRODUCCIÓN

El tiempo que tarda el tanque en vaciarse está relacionado con la resistencia viscosadel agua a fluir por el interior de cada tubo. Mientras mayor es la resistencia, mayorel tiempo de descarga y la velocidad media de flujo es menor. La velocidad cambiacon el diámetro y la longitud de los tubos.

Dondedt = diámetro interno del tuboDT = diámetro del tanqueHo = altura del nivel del tanque (inicial)L = longitud del tubo

OBJETIVO

Calcular el tiempo de descarga de un tanque utilizando diferentes tubos dedescarga (distintos diámetros y longitud)

Figura 9. Diagrama del tanque con un tubo de descarga


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1). Se coloca el tanque en su estructura2). Se coloca uno de los tubos de descarga enroscándolo en el fondo del tanque3). Se tapa la salida del tubo (con un tapón o con la mano) y se llena de agua eltanque4). Se prepara el cronómetro y se dispara, destapando simultáneamente la salida deltubo5). Se mide el nivel del agua a diversos tiempos6). Se para el cronómetro al tiempo que se vacía el tanque7). Se cambia el tubo de descarga y se repite el procedimiento del paso 3 al 6

BIBLIOGRAFÍA

BIRD, R.B., Stewart, W.E. y Ligthfoot, E.N. 1982. Fenómenos de Transporte,Reverte.

LEVENSPIEL, O. 1985. Engineering Flow and Heat Exchange, Plenum Press

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