mecánica de FLuidos

Laboratorio de Mecánica de Fluidos- UPC

2015-2

INGENIERÍA CIVIL 2015-02

MECANICA DE FLUIDOS (CI-170)

LABORATORIO 2

MEDIDOR VENTURI

PERDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS POR

FRICCIÓN Y ACCESORIOS

Autor: Ing. Sissi Santos Hurtado Docentes: Ing. Fernando Montesinos

Ing. Henrry Chicana Ing. David Maldonado Ing. William Sanchez Ing. Edwing Arapa


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Experiencia # 1

Medidor Venturi

Introducción

Existen varias formas de medir caudal en las tuberías, los más usados son los medidores que aplican el

método de la diferencia de presiones entre dos secciones, en este laboratorio se usara el medidor Venturi

para conocer el caudal que pasa por el banco de tuberías.

Objetivos

1. Calcular el caudal que pasa por el banco de tuberías mediante el equipo Venturi.

2. Aplicar el principio de igual nivel igual presión en los manómetros, para calcular las

presiones en la tubería y en el Venturi.

3. Calcular el coeficiente de descarga del equipo Venturi en forma experimental y en forma

teórica.

Logro

Al finalizar el laboratorio, el alumno comprende el funcionamiento, reconoce las ventajas y

desventajas de uso de los principales dispositivos de medición de flujo en tuberías y aplica los

respectivos principios de funcionamiento en el cálculo del caudal que pasa por un medidor

Venturi.

Fundamento

En base a crear una deferencia de presiones entre dos secciones es que se logra medir el caudal

que pasa por un equipo Venturi.

El flujo desde la tubería principal

(sección 1) se acelera cuando

pasa por la garganta (sección 2),

donde disminuye la presión del

fluido, luego el flujo se expande a

través de la porción divergente

hasta obtener el mismo diámetro

de la tubería principal.

Entre la sección 1 y 2 se instala

un manómetro diferencial de

presión (P1 – P2), puede

instalarse otro medidor de

presión diferencial también.

Para realizar el análisis se


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considera el flujo incompresible, cuando se trata de gases hay que prestar atención a la

variación del peso específico.

Al establecer la ecuación de energía y conservación de la masa entre 1-2, se obtiene:

4

2124

21

21

//2

1

2

PPg

CA

PPg

CAQ Ec. 1 D

d

Ec. Teórica del caudal en función de las cargas piezométricas

Q: caudal que pasa por la tubería (m3/s)

C: coeficiente de descarga del Venturi

A2: área de la contracción (m2)

P1/γ= h1 carga de presión en tubería (m)

P2/γ= h2 carga de presión en Venturímetro (contracción) (m)

γ: peso específico del fluido en Kgf/m3

d: diámetro interno de contracción (m)

D: diámetro interno de tubería (m)

Instrumentos y Componentes 1. Banco de Tuberías 2. Aparato de Venturi de 2.2” * 1.31”

3. Agua

4. Tubos piezométricos

5. Caudalímetro

6. Cronómetro digital LCD

7. Regla nivel ancho

Procedimiento 1. Encender la bomba del Banco de tuberías, iniciar los ensayos en cuanto se estabilice el

caudal que pasa por el equipo Venturi.

2. Una vez estabilizado el flujo en el Banco de tuberías, medir:

H: Altura desde la parte superior del banco de manómetros hasta el eje de la tubería

donde se ha ubicado el equipo Venturi. Registrar el valor en la Tabla 1.

H1: Altura desde la parte superior del banco de manómetros en la tubería hasta el nivel

del agua en el piezómetro 1. Registrar el valor en la columna 1 de la Tabla 2.

H2: Altura desde la parte superior del banco de manómetros en la tubería hasta el nivel

del agua en el Venturímetro, piezómetro 2. Registrar el valor en la columna 2.


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t: haciendo uso del cronómetro calcular el promedio de tiempos que demora en alcanzar

el volumen seleccionado del caudalímetro (Vol),tomar como mínimo 3 medidas.

Registrar el Volumen (Vol) en la columna 5 y el tiempo (t) en la columna 6.

3. Calcular y Registrar en la Tabla 1:

A1 (m2): área de la tubería, siendo el diámetro interno de la tubería D = 5.41 cm.

A2 (m2): área en la contracción del Venturímetro, siendo el diámetro interno de la

contracción d = 3.29cm.

β = d/D

γ (m3/s) : peso específico del agua

ν (m2/s) : viscosidad cinemática del agua

4. Calcular y Registrar en la Tabla 2:

h1 = H-H1= P1/γ (m): carga piezométrica en la tubería (Col 3)

h2 = H-H2= P2/γ (m): carga piezométrica en la contracción (m) (Col 4)

Qr (m3/s): Caudal real que pasa por la tubería Qr = Vol/t

(Col 5/ Col 6), registrarlo en Col 7.

C : Coeficiente del equipo Venturi, a partir de la Ec.1. Anotarlo en la columna 8.

V1 = Qr/ A1 (m/s)

Re1: número de Reynolds del flujo que pasa por la tubería. (Col 10)

𝑅𝑒1 =𝑉1𝐷

𝑣

H2

h2

H1

h1

H


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5. Calcular el valor del coeficiente de Venturi teórico (Ct) mediante el nomograma que está en

función del Reynolds correspondiente a la tubería (Re1) hallado en el paso anterior y

Anotarlo en la columna 11 de la tabla.

6. Para las 3 experiencias restantes se trabajara con caudales diferentes, los alumnos

trabajaran en grupos para obtener los resultados pertinentes y lo escribirán en la Tabla 2.

Re 1


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Tabla 1

H (m) A1

(m2)

A2

(m2)

β γ

(Kgf/m3)

ν (m

2/s)

Tabla 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Prueba

# H1 (m) H2 (m)

Carga Piezometrica

P/γ (m)

Vol

(m3)

t

(seg)

Qr

(m3/s)

C

V1

(m/s) Re1 Ct

Tubería

h1 (m)

Venturi

h2 (m)

1

2

3

4

Conclusiones:__________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

Laboratorio Mecánica de Fluidos 2015-2

Prof. Sissi Santos

Observaciones y Conclusiones Los alumnos compararan los valores de C y Ct hallados con la ecuación teórica y el

nomograma y escribirán sus conclusiones.

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________


Prof. Sissi Santos

Experiencia # 2

Perdida de carga en Tuberías Introducción

Un sistema de tuberías cuenta con accesorios que nos permiten entre otros: redireccionar el

sentido del flujo, medir la presión en ciertos puntos, medir el caudal, dividir el fluido que pasa

por la tuberías; lo que ocasiona una perdida secundaria de energía.

Asimismo hay que tener en cuenta el material de las tuberías, la viscosidad del fluido, la

distancia recorrida, que ocasionan una perdida por fricción.

Es necesario cuantificar estas pérdidas por fricción y por accesorios, ya que implican una

pérdida de carga en el sistema.

Objetivos

1. Identificar causas de perdida de carga en sistemas de tuberías

2. Mide la caída de presión entre tramos ocasionada por la fricción y por la válvula tipo

compuerta.

3. Mide el caudal que pasa por banco de tuberías, mediante el caudalimetro.

4. Calcula las pérdidas por fricción y por el accesorio instalado.

Logro

Al finalizar el laboratorio, el alumno identifica, comprende y cuantifica las causas que

ocasionan las pérdidas de carga en un sistema de tuberías.

Fundamento

sePse

sePse

hPs

g

Vsz

Pe

g

Vez

hEE

22

22

hpe-s = hf + hacc

Ee : Energía total a la entrada del conducto

Es: Energía total a la salida del conducto

hpe-s: pérdida total de energía

hf: perdida de energía por fricción

hacc: perdida de energía por accesorios

e s Válvula


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La resistencia al avance que se presenta en un conducto al fluir un fluido, se debe: al efecto de

la viscosidad del fluido, a la rugosidad del conducto, a la velocidad que se desplaza el fluido y a

los obstáculos que pueda presentar el atravesar un accesorio.

Esta resistencia al avance es energía no recuperable al cual denominaremos perdida de carga

(hpe-s), la cual se subdivide en pérdidas por fricción y perdidas por accesorios.

A. Perdida de energía por fricción: hf Las principales ecuaciones para calcular las pérdidas de carga por fricción son:

Ecuación de Darcy - Weisbach

g

V

D

Lfh f

2

2

Unidades SI hf :perdida de carga (m) f: factor de fricción adimensional)

L: longitud de tubería (m)

D: diámetro de tubería (m)

V: velocidad media de tubería (m/s)

g: aceleración de la gravedad (m/s2)

Ecuación de Hazen - Williams

Unidades SI

852.1

63.0849.0

hh

fRAC

QLh

Rh = A/P

hf :perdida de carga (m)

L: longitud de tubería (m)

A: área de tubería (m2)

Ch : Coeficiente de Hazan-Williams, adimensional (tablas)

Rh: Radio hidráulico (m)

Q: caudal que pasa por tubería (m3/s)

P: perímetro mojado (m)

B. Perdida de energía por accesorios: hacc

g

VK

acch

2

2

K: Coeficiente de pérdida de carga de accesorio (tablas)

V : velocidad promedio en la tubería que contiene el accesorio g: aceleración de la gravedad (m/s

2)


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Instrumentos y Componentes

o Banco de Tuberías

o Válvula tipo compuerta

o Agua

o Tubos piezométricos

o Caudalímetro

o Cronómetro digital LCD

Procedimiento

Considerar 1,2,3 y 4, como los puntos en donde se toman las cargas piezométricas tal como se

muestra en el gráfico.

1. Instalar el accesorio, que en esta prueba se trata de la válvula tipo compuerta

completamente abierta.

2. Medir el diámetro de la tubería “D” en metros y anotarlo en la Tabla 4.

3. Medir la longitud de la tubería “L” en metros y anotarlo en la Tabla 4. La longitud

comprende la distancia entre el punto inicial y final (1-4) en el cual se va a medir la pérdida

de carga por fricción.

4. Encender la bomba del Banco de tuberías, iniciar los ensayos en cuanto se estabilice el

caudal.

5. Una vez estabilizado el flujo en el Banco de tuberías, medir:

H: Altura desde la parte superior del banco de manómetros hasta el eje de la tubería

donde se ha ubicado la válvula tipo compuerta. Registrar el valor en la Tabla 4.

H1, H2, H3 y H4: Alturas desde la parte superior del banco de manómetros en la tubería

hasta el nivel del agua en los piezómetros correspondientes, tal como se muestra en el

gráfico. Registrar los valores en las columnas 1, 2,3 y 4 de la Tabla 5.

6. t: haciendo uso del cronómetro calcular el promedio de tiempos que demora en alcanzar el

volumen seleccionado del caudalímetro (Vol) ubicado al final de la tubería, tomar como

mínimo 3 medidas. Registrar el Volumen (Vol) en la Tabla 4 y el tiempo (t) en la columna 5

de la Tabla 5.

7. Con las mediciones anteriores realizar los siguientes cálculos y registrarlos en la Tabla 6:

h4

H3

h2

H1

4 3 2 1 Valvula

L

D

H

h1

H2

h3

H4


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Hallar las cargas piezométricas h1 , h2, h3 y h4 y registrarlos en las columnas 1,2,3 y 4.

h1 =z1+P1/γ= H-H1

h2 =z2+P2/γ= H-H2

h3 =z3+P3/γ= H-H3

h4 =z4+P4/γ= H-H4

8. Calcular el caudal (Q) que pasa por la tubería: Q = Vol/t y registrarlo en la Col. 5.

Vol: se obtiene de la lectura del caudalímetro

t: promedio de tiempos que demora en alcanzar el volumen seleccionado, (Tabla5)

9. Calcular la Velocidad media= Q/Area y registrarlo en la columna 6..

10. Calcular el número de Reynolds considerando νagua = 1*10-6

m2/s, 𝑅𝑒 =

𝑉𝐷

𝜈 y registrarlo en

la columna 7.

11. Aplicar la ecuación de Colebrook para hallar el factor de fricción f , (Col 8)

fDf

s

Re

51.2

7.3log2

1

κs: rugosidad de la superficie (ver Tabla 1)

κs/D: rugosidad relativa

y la perdida de carga hf con la ecuación de Darcy: g

V

D

Lfh f

2

2

(Col 9)

TABLA 1

Altura de la Rugosidad ks de Materiales Comunes

Utilizados en la Fabricación de Tuberías

Material κs (m)

Tubos sin costura (Vidrio, plástico, tubos muy

lisos, acero nuevo con superficie pintada, PVC) 1.5 *10

-6

Fierro forjado 4.5 *10-5

Acero rolado nuevo 5 *10-5

Acero laminado nuevo 4 *10-5

– 1*10-4

Fierro fundido nuevo 2.5 *10-4

Fierro galvanizado 1.5 *10-4

Fierro fundido asfaltado 1.2 *10-4

Fierro fundido oxidado 1*10-3

-1.5*10-3

Acero remachado 0.9*10-4

-0.9*10-3

12. Aplicar la ecuación de Hazen y Williams, para hallar la pérdidas de carga hf, obtener Ch de la

Tabla2. 852.1

63.0849.0

hh

fRAC

QLh

Registrar Ch en la Col. 10 y hf en Col. 11


Prof. Sissi Santos

Tabla 2- Coeficiente de Hazen y Williams

Material Diámetro

(mm)

Ch

PVC Todos 150

Asbesto cemento Todos 140

Mampostería Todos 100

Cobre Todos 130-140

Hierro galvanizado Todos 120

Latón Todos 130

Vidrio Todos 140

Fuente: Hidráulica de Tuberías, J. Saldarriaga-2007

13. Calcular la perdida que ocasiona la válvula (Col 12) , g

VKh

acc

2

2

. Obtener K de la Tabla 3

Tabla 3- Perdidas por accesorios

Fuente: Catedra de Ing. Rural, E. Univ. De Ing. Tec Agrícola- España

14. Calcular la pérdida total de carga Ht = hf+ hacc, con la ecuación de Darcy (Col 13) y de Hazen-

Williams (Col 14).

15. Calcular el Kreal de la válvula: K=hacc*2g/V2, a partir de la Col 12.

16. Calcular la pérdida real de carga por fricción: hf =(h1- h2)+ (h3- h4), (Col 16).

17. Calcular la pérdida real de carga por la válvula: hacc =(h2- h3), (Col 17).

18. Calcular la pérdida total real de carga ht= hf+ hacc, ht=h1- h4, (Col 18).


Prof. Sissi Santos

Tabla 4- Datos

Tabla 5 - mediciones

1 2 3 4 5

Prueba

# H1 (m) H2 (m) H3 (m) H4 (m) t (s)

1

2

3

4

Long. Tubería

(1-4)

L (m)=

Diámetro

Tubería

D (m)=

H (m)= Vol (m3)=

ks / D=

Valvula


Prof. Sissi Santos

Tabla 6- Cálculos

1 2 3 4 5 6 7

Prueba

#

Cargas Piezométricas (z+P/γ) Q

(m3/s)

V

(m/s) Re

h1 (m) h2 (m) h3 (m) h4 (m)

1

2

3

4

Continuación Tabla 6

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Prueba

#

Ec. de Darcy Ec. de H-W

hacc (m)

Ht=hf+hacc

Kreal

Pérdidas reales

f hf (m) Ch hf (m) Ht c/Darcy Ht c/H-W

hf =

(h1- h2)+ (h3-

h4)

hacc =

(h2-

h3)

Ht=hf+hacc

Ht= h1- h4

1

2

3

4


Prof. Sissi Santos

Bibliografía

Hidráulica de Tuberías, J. Saldarriaga-2007

Catedra de Ing. Rural, E. Univ. De Ing. Tec Agrícola- España

Formuló Revisó Aprobó Autorizó Ing. Sissi Santos Hurtado Ing. Fernando Montesinos Ing. William Sánchez Ing. David Maldonado Ing. Henrry Chicana Ing. Edwing Arapa

Ing. Fernando Montesinos Ing. Roman Arciniega Aleman

Ing. Jorge Cabrera

Profesores del Curso Coordinador de la Línea Director de la Carrera Decano de la Facultad de Ingeniería

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