w20150327163125727_7000921817_06-10-2015_190949_pm_SESION 11

MECANICA DE FLUIDOS SESION 11

FLUJO EN TUBERIAS

DOCENTE:

Ing. Abimael Antonio Beltrn Cruzado

Huaraz, 2015

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

1.- INTRODUCCION

La presente sesin de aprendizaje da a conocer sobre: FLUJO EN TUBERIAS: -Introduccin

- Definicin

- Importancia

2.- OBJETIVO

EL PROPOSITO DE LA SESIN ES QUE EL ALUMNO: Analizar y explicar el flujo en tuberas.

3.- FLUJO EN TUBERIAS

El agua caliente y la fra que se usan para los hogares que se bombea a travs de

las tuberas. El agua en una ciudad se distribuye mediante redes de tuberas. El

petrleo y el gas natural se transportan a cientos de kilmetros por largas y

grandes tuberas. La sangre recorre todo el cuerpo a travs de las arterias y de

venas. El agua de enfriamiento en un motor se transporta mediante mangueras

hacia la tubera del radiador, donde este se enfra conforme el agua fluye. La

energa trmica en un sistema de calefaccin central se transfiere hacia el agua que

circula en el calentador y luego se transporta hacia las posiciones deseadas por las

tuberas.

Para calcular la cantidad de energa que se pierde debido a la friccin en un

sistema de fluido, es necesario caracterizar la naturaleza del flujo. Si el flujo es

uniforme y regular se tratar de un flujo laminar y si el desplazamiento del fluido

es irregular, no uniforme catico, estaremos ante un flujo turbulento.

El tipo de flujo puede predecirse mediante el Nmero de Reynolds, el cual es

adimensional.

Los mtodos para calcular la prdida de energa son diferentes para cada tipo de

flujo.


DEFINICIONES:

Tuberas:

Se denomina tuberas a los conductos que

escurren agua completamente llenos y bajo

presin, generalmente son de seccin circular,

pero pueden adoptar otras formas, tal como la

seccin de herradura.

Su ventaja de las tuberas con respecto a

canales es la menor perdida de agua por

filtracin y evaporacin, su ruta puede ser ms

corta incluso puede ascender el flujo de agua,

por efecto de la gradiente hidrulica.


Tubera forzada:

Es la tubera que lleva el agua a presin desde

el canal o el embalse hasta la entrada de la

turbina.

Tambin se nombran tuberas de presin.

Ambas denominaciones las caracterizan como

conducciones forzadas, debido a las elevadas

presiones que han de soportar en toda su

superficie, al estar totalmente llenas de agua, y

desplazarse sta no por la pendiente existente

sino por efecto de presin.


Flujo en conductos cerrados:

El flujo que queda limitado por superficies slidas (por ejemplo, flujos a travs de

conductos, flujo entre placas, tuberas, vlvulas y medidores), es considerado como

un flujo interno.

Se muestra el flujo en un conducto cerrado


Con respecto a la lnea de gradiente o piezomtrica conviene ordenar los

siguientes conceptos:

a) La lnea de gradiente indica que la altura sobre el eje de la tubera de presin en

cualquier punto de ella.

b) En una tubera, o en tuberas de igual rugosidad y dimetro, cuando mayor es la

pendiente o inclinacin de la lnea de gradiente, tanto mayor ser la velocidad del fluido.

c) La lnea de gradiente hidrulica indica por su descenso vertical la energa perdida entre

dos secciones (para el flujo uniforme).

d) La gradiente hidrulica es recta para tuberas rectas de seccin trasversal constante y

para tuberas cuya longitud sea aproximadamente igual a la lnea que une sus extremos.


TIPOS DE REGMENES:

En los flujos viscosos se distinguen dos tipos de regmenes: Laminar y

turbulento. El carcter del flujo se determina por la rugosidad de las paredes y

por el Nmero de Reynolds.


Flujo Laminar:

Filamentos del fluido fluyen paralelamente, cerca de las paredes disminuye la

velocidad por efectos de la viscosidad. (Re < 2300).

En un flujo laminar estacionario la velocidad en un punto permanece constante:

Flujo en Transicin:

Regin en la que el flujo sufre una transicin de laminar a turbulento. (2300 < Re

< 4000).

Flujo Turbulento:

Fluctuaciones caticas del movimiento, que se superponen al flujo medio,

variaciones locales bruscas de presin y de velocidad. (Re >4000).

En un flujo turbulento la velocidad flucta aleatoriamente, alrededor del valor

medio temporal: u= u+u


Se muestra el flujo laminar y turbulento en un canal.

Se muestra la

distribucin de

velocidad en flujo

laminar y turbulento


Donde:


PERDIDAS DE CARGA EN TUBERAS:

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo algn otro dispositivo,

ocurren prdidas de energa generadas por: La friccin entre partculas del mismo

fluido y la friccin del fluido con las paredes de dicho conducto (perdidas

primarias o por friccin); La cada prdida de presin que se produce cuando el

flujo atraviesa una vlvula, codos, cambios de seccin en la tubera y otros

accesorios. (Perdidas secundarias o locales).

Se muestra la tubera forzada de la CH de

Huanza Huarochir - Lima


De la ecuacin general de energa aplicada al sistema de tuberas indicado en la foto

anterior:


PERDIDAS DE CARGA POR FRICCIN

Ecuacin de Darcy:

La magnitud de las prdidas por friccin Prdidas Primarias, se evala haciendo

uso de la ecuacin de Darcy - Weisbach:

=

2

2

= =

2

2

f: Factor de friccin

L: Longitud del conducto (m)

DH: Dimetro hidrulico del conducto (m)

V: Velocidad media en el tramo del canal (m/s)

g: Aceleracin de la gravedad (m/s2)

Rh: Radio hidrulico (m)

La ecuacin de Darcy - Weisbach, sirve para calcular prdidas de energa en secciones

largas y rectas, tanto para flujo laminar como para flujo turbulento. La diferencia entre

los dos est en la evaluacin del factor de friccin f.


PERDIDAS POR FRICCIN EN FLUJO LAMINAR:

En un flujo laminar, el fluido parece desplazarse en forma de capas, una sobre la

otra. Debido a la viscosidad del fluido, se crea una tensin de corte entre las

capas del fluido, esto produce una prdida de energa. Hagen y Poiseville

determinaron la siguiente ecuacin para este tipo de flujo:

hf: Perdida de energa por friccin ( 7.5)

: viscosidad, agua a T = 20C, = 1*10-3N.s/m2 = 1*10-3 Pa.s L: Longitud del conducto (m)

: peso especfico, a 4C, el agua tiene 1000 Kg-f/m3 D: dimetro del conducto (m)

V: velocidad media (m/s)

=32

2

La ecuacin de Hagen- Poiseville ha sido verificada de manera experimental, y es

vlida para flujos con Re < 2000.


Si se igualan la ecuacin de Darcy con la de Hagen- Poiseville, se puede despejar

el factor de friccin:

=

2

2 =

32

2 =

64

=

64

En resumen la perdida de energa por friccin en flujo laminar, se puede

calcular aplicando la ecuacin de Hagen-Poiseuille a partir de la ecuacin de

Darcy, en la que: f = 64/Re.


PERDIDAS POR FRICCIN EN FLUJO TURBULENTO:

El factor de friccin f, para el caso de un flujo turbulento no se puede determinar

con la ecuacin de Darcy debido a que el flujo es bastante catico y est

cambiando constantemente, f=f(, , , V, D). Por estas razones se aplican ecuaciones obtenidas experimentalmente para determinar el valor de f.

C.F. Colebrook desarroll experimentalmente, la relacin para el factor de

friccin cuando el flujo est en zona de transicin:

= . (

. +

.

)


Se muestra el recorrido del fluido dentro de una tubera


Para Re > 4000, por lo general el flujo se conoce como turbulento. Sin embargo,

en esencia existen dos zonas de inters en este punto. Hacia el lado derecho del

diagrama, el flujo est en la zona de completa turbulencia. Se puede observar que

el valor de f no depende del nmero de Reynolds, sino slo de la rugosidad

relativa D / . En este intervalo, se aplica la frmula de Colebrook con Re .

O la frmula de Von Karman para el rgimen completamente rugoso:

= . (

. )

=1

4 0.57

2


Se muestra el diagrama de Moody


Ecuacin de Hazen Williams: La ecuacin de Darcy para calcular la prdida

de energa debido a la friccin se aplica a cualquier flujo newtoniano, Hazen y

Williams propusieron una de las frmulas que tiene aplicacin en el diseo y

anlisis de sistemas de agua, el rango de aplicacin de la frmula es:

Dimetro de tuberas: 2 pulg. < D < 6 pulg. 5.1 cm < D < 1.83 m

Velocidad: V 10 pie/s 3.05 m/s

Temperatura del agua: 60 F


Unidades SI Unidades S Ingls


EJEMPLO: Un fluido a 20 C fluye a travs de 0,8 lps, tiene un 100 milmetros

de dimetro de tubera. Determinar si el flujo es laminar o

turbulento si el lquido es:

a) Hidrgeno (v= 1.08 x 10-4 m2/s)

b) Aire

c) Gasolina (v= 4.06 x 10-7 m2/s)

d) Agua

e) Mercurio (v=1.15 x 10-7 m2/s)

f) Glicerina


EJEMPLO: Aceite de viscosidad absoluta 0.00210 lb. s/ft2 y la gravedad

especfica 0,850 libras fluye a travs de una tubera de 10 000 pies

de longitud y 12 pulgadas de dimetro, la tubera es de hierro

fundido, a razn de 1.57 cfs. Cul es la carga de perdida en el tubo ?


EJEMPLO: Calcular el factor de friccin para el flujo que tiene un nmero de

Reynolds de 5 x 103 y rugosidad relativa (/) de 0,015 (zona de transicin) Use la frmula Colebrook.

Adems si se tiene un Re= 4 x 106 y (/) de 0,0001cul ser el factor de friccin f?


EJEMPLO: Estimar el nivel del depsito h necesario para mantener un flujo de

0,01 metros cbicos por segundo a travs del anillo de acero

comercial de 30 metros de largo que se muestra en la figura.

Desprecie los efectos en la entrada y tomar = 1000

3 y

= 1.02 10 6

2

w20150327163125727_7000921817_06-10-2015_190949_pm_SESION 11

Documents

Transcript of w20150327163125727_7000921817_06-10-2015_190949_pm_SESION 11