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TITULO DEL PROYECTO

LABORATORIO DE HIDRAULICA

DATOS EXPERIMENTALES

RUGOSIDAD EXPERIMENTAL Y TEORICA

NOMBRE DEL CURSO

HIDRAULICA DE TUBERIAS Y CANALES

PROFESOR: ING. ESCOBEDO GUEVARA AMILCAR ORESTEDES

CICLO: VIII AULA: A405 SEMESTRE: II

INTEGRANTES:

1.- RICHARD POOL YAÑEZ ALBARRAN

2.-AGUSTIN VEGA MAZA

3.-ELMO FUENTES MENDOZA

4.-HECTOR VASQUEZ ESTRELLA

5.-HEBER HEBER Z.

OCTUBRE 2015

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INDICE

1.- CARATULA…………………………………………………………………………..….PAG. 1

2.- TITULO DEL TRABAJO………………………………………………………….…….PAG. 2

3.- ÍNDICE………………………………………………………………………….…….….PAG. 3

4.- INTRODUCCIÓN………………………………………………………………...……..PAG. 3

CAPITULO 1 GENERALIDADES……………………………………….………………..PAG. 4

CAPITULO 2 MARCO TEORICO…………………………………………..…………….PAG. 4

CAPITULO 3 MATERIALES………………………………...…..……………………….PAG. 14

CAPITULO 4 RESULTADOS EXPERIMENTALES…………..……………………….PAG. 16

CONCLUSIONES………………………………..……………..…………………………PAG. 22

RECOMENDACIONES…..…………………..……………..…………………….………Pag. 30

ANEXOS…..…………………..……………..…………………….………………………Pag. 30

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INTRODUCCIÓN

Actualmente existe una gran diversidad de procesos industriales que emplean grandes

sistemas de tuberías, de las cuales podemos destacar el transporte de agua. En razón de

ello, se han construido complejos sistemas de redes de tuberías, a gran escala, los que

han crecido y se han automatizado cada vez más en los últimos años. La operación segura

de estos sistemas es primordial debido a que se trata de un elemento vital y valioso. Sin

embargo, y a pesar de todas las medidas de precaución que se tomen, siempre existe la

posibilidad de pérdidas por diversos factores, tales como rajaduras en la pared de la

tubería, defecto en las uniones, corrosión, desgaste, entre otras. Con la elaboración de

este trabajo práctico educativo se pretende dar una visión amplia de todos aquellos factores

que intervienen en el funcionamiento de las perdidas en tuberías, así como también crear

un criterio para el entendimiento de los problemas generados en un sistema de fluidos.

Es muy importante en el diseño y dimensionamiento de sistemas de tuberías el

conocimiento de las pérdidas de carga que se producen en tuberías, así como en diferentes

accesorios hidráulicos. El Equipo de Fricción en Tuberías está diseñado para determinar

los coeficientes de fricción en tuberías de diferentes diámetros y rugosidades, para estudiar

las pérdidas de carga en diferentes tipos de válvulas y acoplamientos y para comparar

diferentes métodos de medir el caudal.

El equipo dispone de Cuatro secciones de tuberías rectas fabricadas en dos tipos de

materiales (Acero y PVC) y con distintos diámetros y rugosidad (F°G 1”,PVC 1”, PVC 2” y

PVC 3”). Además, incluye una amplia variedad de accesorios para estudiar las pérdidas en

tuberías rectas, diferentes tipos de válvulas de compuerta, acoplamientos de tuberías

codos y uniones.

En la práctica del laboratorio nuestro grupo solo estudiara las pérdidas de la tubería

galvanizada de 1” y Tubería PVC de 1”; además los accesorios y acoplamientos de la

misma no se tomaran en cuenta para los fines de cálculo porque son mínimas por lo tanto

son despreciables.

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Con este equipo se pueden estudiar las pérdidas de carga en un rango amplio de números

de Reynolds, de este modo se cubre el régimen turbulento. Un manómetro permite obtener

las pérdidas de presión en régimen turbulento.

CAPITULO 1: GENERALIDADES

1.1. OBJETIVO DE LA PRACTICA

-Determinar las relaciones generales entre la rapidez del flujo y las pérdidas de carga de

las tuberías para los sistemas en paralelo o ramales.

-Determinar la cantidad de flujo que se produce en cada ramal del sistema de tuberías y

la perdida de carga que se produce cuando se conocen la rapidez del flujo volumétrico.

-De terminar la cantidad de flujo que se produce en cada rama de un sistema de tuberías,

conocer la caída de presión que hay en el sistema.

-Utilizar distintas técnicas como la de Hardy Cross para calcular la rapidez del flujo de

todos los ramales

-Identificar de forma práctica y de manera visible los distintos cambios producidos por los

accesorios que conforman las tuberías y las variantes.

1.2 UBICACIÓN

- El trabajo fue elaborado en el laboratorio de nuestra institución ´´Universidad Peruana

del Norte´´, con la presencia del docente de hidráulica, explicando de forma detallada el

comportamiento del elemento en investigación.

CAPITULO 2: MARCO TEORICO

Las pérdidas por fricción se presentan al estar el fluido en movimiento donde habrá una

resistencia que se opone a dicho movimiento llamada fricción, convirtiéndose parte de la

energía del sistema en energía térmica llamada calor, que se disipa a través de las

tuberías de la que circula el fluido generando turbulencia local en el fluido. Estas pérdidas

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son llamadas perdidas menores ya que en un sistema grande las perdidas por fricción

son mayores en comparación con las válvulas y accesorios.

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PÉRDIDA DE FRICCIÓN EN EL FLUJO TURBULENTO

Cuando hay flujo turbulento en tuberías es más conveniente usar la ecuación de Darcy

para calcular la pérdida de energía debido a la fricción.

PARA DETERMINAR EL VALOR DE (f) DEBEMOS RECURRIR A LOS DATOS

EXPERIMENTALES.

DIAGRMA DE MODDY

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Explicación de las partes del diagrama de Moody. Si es posible, hay que evitar la zona

crítica entre los números Reynolds 2000 y 4000 porque no puede predecirse el tipo de

flujo dentro de ese rango.

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1- PRIMERA PROPIEDAD A UITILIZAR PARA CALCULAR EL COEFICIENTE DE

DARCY O FRICCION.

Métodos y ecuaciones del movimiento de un fluido en

Una tubería de sección circular.

En este apartado se van a comentar los modelos estudiados y empleados en este

proyecto. Dichos modelos son relaciones experimentales de las distintas variables

en el transporte de fluidos en una tubería, de forma que se relaciona el número de

Reynolds con la longitud, diámetro interno y rugosidad de la tubería y el factor de

fricción. Estas variables toman la forma de la ecuación de Darcy-Weisbach

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Ecuación de Blasius Blasius en 1911 propone una expresión en la que el factor de fricción viene dado

sólo como una función del número de Reynolds. Dicha expresión es válida para

tubos lisos, en los que la rugosidad relativa _r, (la relación entre el diámetro y la

rugosidad media del tubo) no afecta} al flujo al tapar la subcapa laminar las

irregularidades de la tubería.

Y como se puede observar es un modelo muy simplificado en el que el factor de

fricción sólo depende del número de Reynolds.

Ecuación para régimen laminar Esta ecuación es la más sencilla de todas y la única que se puede deducir de

forma analítica, pero sólo es válida en régimen laminar, es decir, con números de

Reynolds por debajo de 4000, si el sistema hidráulico es una tubería de sección

circular.

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Ecuación de Colebrook-White

Esta ecuación es una de las más precisas para el cálculo del factor de fricción y en

un rango más amplio, pero tiene la desventaja de su complejidad al ser una función

implícita. Debe resolverse de forma iterativa hasta alcanzar una cota de error

aceptable, con el coste computacional y tiempo que ello conlleva. Fue propuesta

por Colebrook y White en 1939 y es la más utilizada por ser la más precisa y

universal.

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Ecuación de Prandtl La ecuación de Prandtl es más sencilla que la anterior, pero a costa de disminuir su

rango de validez al eliminar su dependencia con la rugosidad relativa. Fue

propuesto en 1930, ampliando el rango de validez del modelo de Blausius.

Ecuación de von Karman-Nikuradse Este modelo es aún más sencillo, ya que como se puede observar no depende del

número de Reynolds, sólo de la rugosidad relativa de la tubería. Fue propuesto en

1933 para poder utilizar una expresión similar a la ecuación de Prandtl con tuberías

rugosas

Ecuación Explícita Esta ecuación es uno de los métodos más sencillos para solucionar la dependencia

de la pérdida de carga con la rugosidad y el número de Reynolds. Su origen está

en realizar una aproximación numérica del diagrama de Moody, que es válida en

un rango muy amplio de números de Reynolds gracias a la gran cantidad de

términos empleados

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Donde Re es el número de Reynolds y _r es la rugosidad relativa de la tubería como

en casos anteriores. Como se puede observar a pesar de ser una ecuación explícita

lo que facilita su resolución de una forma clara, sigue resultando una ecuación muy

compleja.

Ecuación de Churchill Este modelo fue propuesto por S. W. Churchill en 1977. Este modelo abarca tanto

el régimen turbulento como el laminar pero requiere una capacidad de cálculo muy

importante, por lo que es complicado conseguir la precisión necesaria en los

cálculos implementándolo en un programa de cálculo convencional ya que se

cometen errores de redondeo y truncado, aportando estas soluciones con un error

superior al 50% por lo que la solución obtenida no es válida. Sin embargo utilizando

un programa de cálculo avanzado como Matlab, se obtienen resultados precisos

Como se aprecia claramente este método presenta importantes problemas de

cálculo debido a los redondeos ya que opera con valores muy próximos a cero. En

el cálculo del factor de fricción trabaja con valores del orden de (1 _ 10�4)12 o lo

que es lo mismo 1 _ 10�48. Debido a esta dificultad de operación, no se ha podido

implementar en el programa informático, aunque se ha estudiado el método

mediante el programa Matlab, y se han observado resultados muy similares al

modelo de Colebrook para el régimen turbulento. En el régimen laminar no sean

obtenido resultados concluyentes, debido a que no se han podido conseguir

resultados experimentales en esta zona por limitaciones en la instalación

experimental

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CAPITULO 3: MATERIALES

Imagen N° 1

La bateria de mediciones de las perdidas de cargas piezometricas esta constituido por un

tanque metalico que cumple la función de un reservorio de agua y 4 lineas de tuberia de

diferentes diametros (2 de 1” ф , 1 de 2” ф y 1 de 3” ф) cada tuberia cuenta con una valvula

de bola para el control del caudal, dicha válvula se encuentra conectada en la salida del

tanque metalico siendo las medidas según la necesidad de cada tuberia pordonde pasara

el flujo de agua.

Luego de tener la valvula de bola se tiene conectado 4 lineas de tuberias de diferentes

diametros, y en cada linea de tuberia se tiene conectado 4 piezometros de mangueras

transparentes de ½” ф, estas mangueras estan apoyadas sobre un tablero con un medidor

en centimetros para poder tomar lectura de los valores que indican en el momento de

realizar las practicas.

Al final de cada tuberia se tiene conectado un manometro que nos sirve para medir el

caudal con respecto al tiempo que pasa por cada tuberia.

En la salida de cada tuberia se tiene conectado una valvula de bola para el control de la

salida del flujo.

El llenado del tanque principal se realiza por medio de un sistema de bombeo electrico y la

en la descarga final se tiene un pozo sedimentador que recepciona el agua y vuelve a

retornar al tanque, se conoce como agua recirculada.

El tanque alimentador cuenta con un sistema de rebose de 5” ф, para evitar el derrame de

agua fuera del equipo, esta agua retorna al pozo de descarga.

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En la imagen N° 1, se aprecia el banco donde se realizó las practicas y sus componentes

son:

1. Tanque cilindrico metalico con capacidad de 1100 Lts.

2. Tubo de acero galvanizado de STD 1” ф, con 28.2 mm de ф int.

3. Tubo de pvc de 1” ф. De diam. con 29.4 mm de ф int. Clase 10.

4. Tubo de pvc de 2” ф. De diam. con 54.2 mm de ф int. Clase 10.

5. Tubo de pvc de 3” ф. De diam. con 82.1 mm de ф int. Clase 10.

6. Válvulas de bola de 1” ф.

7. Válvulas de bola de 2” ф

8. Válvulas de bola de 3” ф.

9. Codos de 90° x 3” ф.

10. Manguera transparente de 3/8”. Nivel flotante invertido.

11. Manometros para medir el caudal.

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CAPITULO 4:

ANALISIS EXPERIMENTTAL

Como observamos esta ecuación es una función implícita en el factor de fricción,

sin embargo se convierte en una función explícita al tener como única incógnita la

rugosidad. Operando y despejando la rugosidad absoluta obtenemos:

Con la rugosidad absoluta de la tubería expresada en metros. Si se pretende

calcular la rugosidad relativa para poder emplear el diagrama de Moody y hacer

comprobaciones, simplemente hay que dividir entre la longitud característica del

sistema, es decir, el diámetro de la tubería en metros también para ser

dimensionalmente consistente:

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PARA LOS CALCULOS DE PERDIDA DE CARGA EN LA PROPIEDAD DE

DARCY WEISBACH SE CONSIDERO EL TRAMO INICIAL L1=1.65M UBICADO

EN LO PIEZÓMETROS SEÑALADOS.

Para un caudal Q1, en tubería de 1” galvanizada

Para un caudal Q2, en tubería de 1” galvanizada

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Para un caudal Q3, en tubería de 1” galvanizada

Para un caudal Q4, en tubería de 1” galvanizada

Para un caudal Q5, en tubería de 1” galvanizada

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NUMERO DE REYNOLDS

Para un caudal Q1, en tubería de 1” galvanizada y temperatura 20 c°

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Para un caudal Q2, en tubería de 1” galvanizada

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Para un caudal Q3, en tubería de 1” galvanizada

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Para un caudal Q4, en tubería de 1” galvanizada

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Para un caudal Q5, en tubería de 1” galvanizada

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CONCLUSION

Una vez terminada la práctica y su informe correspondiente se pudo cumplir con los

objetivos de la práctica, reconocer los tipos de válvulas, accesorios y procedimientos de

análisis matemáticos para la obtención de caudales, perdidas de energía, cuales son los

coeficientes de resistencia de las válvulas más usadas en un sistema de tuberías.

Se pudo observar y calcular de manera experimental como contribuye cada uno de los

accesorios a la perdida de energía, también como medir diversas magnitudes como masas,

presiones, longitudes y todo ellos verlo nosotros mismos y observar mediante la práctica

algunos de los tipos más comunes de accesorios tales como las válvulas utilizadas y los

codos.

Se pudo concluir así de nuestro estudio en tramos sin accesorio y tramo con accesorios

que la pérdida de energía aumenta proporcionalmente de acuerdo al número de

accesorios.

También depende del tipo de accesorio que se utilice, por ello debemos estudiar bien cual

sea la situación y las necesidades a la hora de instalar accesorios escogiendo así a los

adecuados que cubran las necesidades con la menor perdida de energía posible.

RECOMENDACIONES

En la toma de mediciones manométricas, ocurrió un problema con el manómetro

representado en el esquema de ensayos como el número 13 afectando así la precisión en

los cálculos de la práctica, se recomienda reemplazarla para un mejor cálculo de las

lecturas.

En la toma de mediciones de los piezómetros, se observó que el nivel del agua no es

estable por cada piezómetro, dando así lecturas variadas.

Anexos

https://www.easycalculation.com/es/physics/fluid-mechanics/darcy-weisbach-head.php

http://www.valvias.com/numero-de-reynolds.php

http://www.ingenieriaycalculos.com/fisica/mecanica/fluidos/calculadora/numero-reynolds