Informe de La Práctica

UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABI Extensión Chone

Facultad: INGENIERÍA Carrera: Ingeniería Civil

INFORME DE LABORATORIO

Título: Pérdida de carga en tubería simple.

Nombres y Apellidos: Renán Jesús Zambrano Solórzano

Paralelo: “A”

Fecha: 08/05/2015

Introducción:

La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción representa la pérdida de energía de un

flujo hidráulico a lo largo de la misma por efecto del rozamiento.1

En tuberías rectas la pérdida de carga se ocasiona debido a la fricción de las partículas del fluido

entre sí y con las paredes de la tubería, por lo que se encuentra relacionado relacionado con el

tipo de fluido y propiedades de la tubería2 como: la longitud, la rugosidad: en función del

material y el tiempo de uso.3

Pérdidas primarias: Se producen cuando el fluido se pone en contacto con la superficie de la

tubería. Esto provoca que se rocen unas capas con otras (flujo laminado) o de partículas de

fluidos entre sí (flujo turbulento). Estas pérdidas se realizan solo en tramos de tuberías

horizontal y de diámetro constante.4

En el informe se observa la reacción de las pérdidas de cargas al variar el caudal que pasa por

una misma tubería en tramo recto.

Objetivos:

1- Obtener la ecuación que relaciona el caudal Q con las pérdidas de carga para un tramo recto

de tubería con diámetro, material y vejez constante.

2- Determinar los coeficientes de fricción f (Weisbach-Darcy) y CWH y realizar una comparación

con los que aparecen en la literatura.

3- Realizar un análisis crítico de los resultados.



Fundamentación teórica:

MultiH Virtual.

El MultiH.Virtual es el pionero de los laboratorios virtuales que exhibe este grupo de trabajo.

Consta de un grupo de 22 prácticas para la disciplina de Mecánica de los Fluidos y se aplica en

las carreras de Ingeniería Civil, Mecánica, Química, Industrial y especialidades de Agronomía,

tanto en licenciatura (pregrado) como en cursos de postgrado.

Sus tres diferentes ambientes proporcionan un banco de tuberías con cinco instalaciones a

diferentes niveles, un banco de bombas y un canal ancho de pendiente horizontal para la

evaluación de obras hidrométricas.

Su objetivo fundamental es proporcionar a estudiantes y profesores de tres ambientes

interactivos y amigables en los cuales se pueden ejercitar los contenidos teóricos de esta

importante disciplina de la Hidráulica.6

Para encontrar los valores de f (Weisbach-Darcy) y CWH (WILLIAMS HAZEN) se despejaran de sus respectivas fórmulas de pérdidas de carga.

Ecuación de Weisbach-Darcy

hf: pérdida de carga o de energía (m)

f: factor de fricción de Darcy- Weisbach (adimensional)

L: Longitud de la tubería (m)

D: diámetro interno de la tubería (m)

ℎ𝑓 = 𝑓 𝑙

𝑑∗

𝑣2

2𝑔

=

ℎ𝑓 =8𝑓𝑙

𝑔 𝜋2 𝐷5∗ 𝑄2

=

ℎ𝑓 = 𝑘 ∗ 𝑄2



V: velocidad media. (m/s)

g: aceleración de la gravedad (m/s2)

Q: caudal. (m3/s)

Fórmula para determinar las pérdidas de energía por fricción.

La pérdida por fricción está expresada en función de las siguientes variables: longitud de

la tubería, velocidad media de flujo (la que se puede expresar también en términos del

caudal), diámetro de la tubería y depende también de un factor o coeficiente de fricción

f.

Es aplicable para cualquier liquido

En flujo laminar f=64

En flujo turbulento depende de NR y de la rugosidad5

Ecuación de Williams Hazen (CWH)

El método de Hazen-Williams es válido solamente para el agua que fluye en las temperaturas ordinarias (5 ºC - 25 ºC).

La fórmula es sencilla y su cálculo es simple debido a que el coeficiente de rugosidad "C" no es función de la velocidad ni del diámetro de la tubería. Es útil en el cálculo de pérdidas de carga en tuberías para redes de distribución de diversos materiales, especialmente de fundición y acero:7

ℎ𝑓 =10.67 ∗ 𝐿

𝐶𝑊𝐻1.852 ∗ 𝐷4.87∗ 𝑄1.852

En donde:

h: pérdida de carga o de energía (m) Q: caudal (m3/s) C: coeficiente de rugosidad (adimensional) D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m)

En la siguiente tabla se muestran los valores del coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams para diferentes materiales:



COEFICIENTE DE HAZEN-WILLIAMS PARA ALGUNOS MATERIALES

Material C Material C

Asbesto cemento 140 Hierro galvanizado 120

Latón 130-140 Vidrio 140 Ladrillo de saneamiento 100 Plomo 130-140

Hierro fundido, nuevo 130 Plástico (PE, PVC) 140-150

Hierro fundido, 10 años de edad 107-113 Tubería lisa nueva 140

Hierro fundido, 20 años de edad 89-100 Acero nuevo 140-150 Hierro fundido, 30 años de edad 75-90 Acero 130

Hierro fundido, 40 años de edad 64-83 Acero rolado 110

Concreto 120-140 Lata 130

Cobre 130-140 Madera 120 Hierro dúctil 120 Hormigón 120-140

Número de Reynolds

El número de Reynolds (Re) es un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un

módelo láminar o turbulento.

El número de Reynolds depende de la velocidad del fluido, del diámetro de tubería, o diámetro

equivalente si la conducción no es circular, y de la viscosidad cinemática o en su defecto

densidad y viscosidad dinámica.8

En una tubería circular se considera:

• Re < 2300 El flujo sigue un comportamiento laminar.

• 2300 < Re < 4000 Zona de transición de laminar a turbulento.

• Re > 4000 El fluido es turbulento.

Número de Reynolds

vs = Velocidad característica del fluido

D = Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido 𝑅𝑒 =𝑣𝑠 ∗ 𝐷

𝑉



y = 500120x1,7755

R² = 0,9998

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025

CA

UD

AL

(Q)

PERDIDAS DE CARGA (HF)

GRAFRICA Q-HF

V = Viscosidad cinemática del fluido (m²/s)

TABLA Y GRAFICA DE LA ECUACION QUE RELACIONA EL CAUDAL Y LAS PERDIDAS DE CARGA

REALIZADO EN EXCEL

Q HF

0,000195 0,126

0,000435 0,552

0,00084 1,76

0,00121 3,37

0,00168 5,81

0,0022 9,41

TABLA COPIADA DE EXCEL DE RESOLUCION DE ECUACIONES.

Velocidad V (m/s)

Número de Reynold NR

f de Weisbach -

Darcy

C de Williams-

Hazen

DIAMETRO Q Hf L G AREA

0,384836522 977,4847663 0,02826568 144,7542181

0,0254 0,000195 0,126 15 9,81 0,000506709

0,858481473 2180,54294 0,024883914 145,434211

0,0254 0,000435 0,552 15 9,81 0,000506709

1,657757326 4210,703609 0,021277089 150,1580509

0,0254 0,00084 1,76 15 9,81 0,000506709

2,387959958 6065,418293 0,019634384 152,3083058

0,0254 0,00121 3,37 15 9,81 0,000506709

3,315514652 8421,407217 0,017559643 157,5878577

0,0254 0,00168 5,81 15 9,81 0,000506709

4,341745378 11028,03326 0,0165845 159,0603418

0,0254 0,0022 9,41 15 9,81 0,000506709



Procedimiento experimental:

1- Seleccionar el diámetro y el material a evaluar en la tubería. Click derecho sobre la tubería. 2- Seleccionar el tanque de aforo a emplear, de los tres tanques posibles. Click derecho sobre el tanque. 3- Anotar los datos iniciales (ver tabla 1). Ir a Datos de la Instalación. 4- Cerrar las válvulas que no entran en el proceso y abrir las correspondientes solamente al ensayo de pérdidas. Explicado en el laboratorio. 5- Cambiar a la vista 2, (vista para realizar las mediciones). Ir a Ver. 6- Seleccionar el líquido manométrico de los posibles. Ir a Líquidos manométricos. 7- Anotar los datos del líquido manométrico (ver tabla 1). Ir a Datos de la Instalación. 8- Cerciorarse que la válvula de descarga del tanque está abierta. Explicado en el laboratorio. 9- Arrancar la bomba. Explicado en el laboratorio. 10- Extraer el aire de la rama diferencial operando el manifold. Explicado en el laboratorio. 11- Abrir la válvula de regulación y accionarla para obtener el gasto deseado. Explicado en el laboratorio. 12- Cerrar la válvula de descarga del tanque y visualizar el cronómetro y la ampliación del piezómetro del tanque. Explicado en el laboratorio. 13- Medir el tiempo (t) que demora en llenarse una altura establecida (h) en el tanque de aforo. Anotar la lectura. Explicado en el laboratorio. 14- Vaciar el tanque. Explicado en el laboratorio. 15- Hacer un acercamiento de la rama en U y a partir de este un acercamiento de cada uno de

los meniscos. Anotar la lectura indicada en el manómetro diferencial en U (h) sumando la leída en cada menisco. Explicado en el laboratorio. 16- Variar el gasto en la tubería y repetir los pasos a partir del 11. Explicado en el laboratorio.



Anotaciones de la práctica:

Tabla Nro.1: Anotación de datos iniciales.

Magnitud Valor Área del tanque de aforo A (m2) 0.80

Temperatura del agua t (°C) 25°

Viscosidad cinemática (m2/s): 10-6

Material de la tubería: Plástico

Características de la tubería:

Diámetro nominal de la tubería Dn (mm) (“) 25.4

Diámetro interior de la tubería Di (mm) 25.4

Longitud de la tubería L (m) 15

Densidad relativa (líquido manométrico) S 13.58

Observaciones:

Tabla Nro.2: Registro de los valores de las mediciones.

Nro

de la

Med

ición

Vu

eltas (válvula)

Altu

ra del agu

a

en el tan

qu

e (m)

Tiempo en alcanzar la altura (s)

Cálculo del caudal Q (m3/s)

Lectura del manómetro en U (m)

Cálculo de pérdidas de carga

hf (m)

t1 t2 t3 tm ∆h1 ∆h2 ∆h3 ∆hm

1 4 0.1 411 411 411 411 0.000195 0.010 0.010 0.010 0.010 0.126

2 7 0.1 184 184 184 184 0.000435 0.043 0.043 0.043 0.043 0.552

3 10 0.1 95 96 94 95 0.00084 0.14 0.14 0.14. 0.14 1.76

4 12 0.1 67 67 65 66.33 0.00126 0.268 0.268 0.268 0.268 3.37

5 14 0.1 48 48 47 47.66 0.00168 0.462 0.462 0.462 0.462 5.81

6 16 0.1 36 37 37 36.66 0.0022 0.748 0.748 0.748 0.748 9.41



Nro de la Medición

Velocidad V (m/s) Número de Reynold NR

f de Weisbach -Darcy

C de Williams-Hazen

1 0,38483652 977,48 0,02822081 144.878435 2 0,85848147 2.180,54 0,02488391 153.0847371 3 1,65775733 4.210,70 0,02127709 150.1580509 4 2,38795996 6.065,42 0,01963438 152.3083058 5 3,31551465 8.421,41 0,01755964 157.5878577 6 4,34174538 11.028,03 0,0165845 159.0603418

Ecuación hf = (Q): 𝑅𝑒 =𝑣𝑠∗𝐷

𝑉

Ecuación f = (NR): 𝑓 =ℎ𝑓∗𝑔∗𝜋2𝑑5

8𝐿𝑄2

Ecuación C = (NR): 𝐶 = (10.67𝐿

ℎ𝑓∗𝐷4.87 ∗ 𝑄1.852)1

1.852



Análisis de los resultados

Podemos observar que a medida que aumenta la velocidad, aumenta el caudal y aumentan las

pérdidas de carga.

A mayor valor de caudal disminuye el valor del coeficiente de fricción f (Weisbach-Darcy).

A mayor valor de caudal aumenta el valor del coeficiente de fricción CWH (Williams-Hazen).

Conclusiones:

Se realizó en Excel el grafico y la ecuación que relaciona el caudal y las pérdidas de carga.

Se obtuvo el coeficiente de fricción f (Weisbach-Darcy) mediante el despeje y remplazo de

valores en las formulas.

Se obtuvo el coeficiente de fricción CWH (Williams-Hazen) mediante el despeje y remplazo de

valores en las formulas.

Recomendaciones:

Enviar las fichas de la práctica con algunos días de anticipación para que los estudiantes la

podamos guiarnos de mejor forma en clases.

De ser posible visitar en algún momento un laboratorio real, con una práctica demostrativa de

los conocimientos que vamos adquiriendo.



Referencias bibliográficas:

1. http://es.slideshare.net/hjgg_jacob/clculo-de-prdidas-de-carga-en-tuberas

2. http://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9rdida_de_carga

3. http://es.wikipedia.org/wiki/Rugosidad_%28hidr%C3%A1ulica%29

4. http://macanicadefluidos.blogspot.com/

5. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/fricci%C3%B3n/darcy.ht

m 6. http://www.miliarium.com/Prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.asp

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

8. http://lv.cujae.edu.cu/catalogo/item/31-multih-virtual

http://es.slideshare.net/hjgg_jacob/clculo-de-prdidas-de-carga-en-tuberas

http://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9rdida_de_carga

http://es.wikipedia.org/wiki/Rugosidad_%28hidr%C3%A1ulica%29

http://macanicadefluidos.blogspot.com/

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/fricci%C3%B3n/darcy.htm

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/fricci%C3%B3n/darcy.htm

http://www.miliarium.com/Prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.asp

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

http://lv.cujae.edu.cu/catalogo/item/31-multih-virtual

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