PERDIDAS DE CARGA, EN ESTÁTICA Y DONÁMICA, TUBERÍAS EN SERIE Y EN PARALELO

DOCENTE: Dr. Jorge Pinna Cabrejos.

ALUMNO: Paredes Palacios Víctor Hugo.

CICLO: IX

TRUJILLO 2012-2

RESUMEN

La práctica pérdidas de carga se realizó en el fundo Agroindustrial UPAO, el día 01 de Septiembre, que consistió en medir la presión con ayuda del manómetro, para lo cual se hicieron orificios en las tuberías de polietileno para así introducir el manómetro y realizar la respectiva lectura. Las

UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGOFACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

RIEGO TECNIFICADO

lecturas (tres lecturas) que se realizaron fueron tanto en estática (sin flujo de agua) y dinámica (con flujo de agua) que consistió una a ras del suelo, las otras dos medidas se realizaron a un metro del suelo y otra a dos respectivamente. Luego se tomó la presión de dos tuberías de diferente diámetro (20 mm y 16 mm).También realizamos la medición de las mangueras, con la ayuda de una jarra y cronometrando el tiempo (cada 2 minutos) para hallar el caudal de cada manguera. Esto más la fórmula de Hazen William nos ayudará a calcular la pérdida de carga.

INTRODUCCIÓN

- La carga estática de succión y descarga se verán afectadas por las pérdidas por fricción cuando se establece el flujo en el sistema, dichas pérdidas se pueden determinar mediante manuales o textos de hidráulica en los cuales se indicas las pérdidas por fricción correspondientes a tuberías, accesorios y válvulas. Estas pérdidas son forzosamente

aproximadas y depende del estado de la tubería (rugosidad), fluido manipulado, duración del periodo de servicio, tipo de válvulas y radio de las curvas.Cabe hacer nota que como parte de las pérdidas por fricción, se debe incluir las pérdidas por entrada a la tubería de succión y a la salida de la tubería de descarga al final de la trayectoria. (Soto, 1996)

- El aspecto más importante en el diseño de cualquier sistema de tuberías es la pérdida de carga por fricción. El problema en el diseño que aquí se presenta es seleccionar el diámetro de las tuberías y sus accesorios, que den un balance positivo entre los costos de estos y los de bombeo, de modo que se tenga a fin de cuentas el mejor gasto posible en la aplicación de agua con su máxima uniformidad. Los laterales deben diseñarse de tal manera que las pérdidas de carga totales no excedan el 20% de la presión de trabajo de los aspersores, asegurando así que las descargas entre el primer y último aspersor de una línea no varíe en sí más de una 10%. Las pérdidas de carga por fricción en un lateral son menores que las de la tubería principal de igual diámetro. Esto se debe a que el flujo por la tubería lateral se va reduciendo en la medida que el agua se mueve por ella. (Gurovich, 1985)

- Para proceder al diseño del sistema de riego se debe recurrir a diversas fórmulas para el cálculo del diámetro de la tubería, a partir del cálculo de las pérdidas por fricción, que significan pérdidas de carga. El diámetro debe ser suficiente para el caudal calculado, de manera que las pérdidas por fricción y la velocidad se mantengan dentro de los límites adecuados. La presión en una tubería se expresa en metros de carga y las pérdidas se expresa en metros por cada 100 metros de conducción.Se debe diferenciar entre las pérdidas de la tubería principal y secundaria y las de los laterales. En ambos casos, se puede usar la fórmula de Hazen-Williams, aunque también se usa la de Darcy-Weisbach, principalmente cuando se trata de diámetros pequeños.La fórmula de Hazen-Williams indica que: J = hf/L, lo que significa:J: es la pérdida de carga en metros por cada 100 metros.Hf: es la pérdida de carga debida a la fricción, en metros.L: longitud de la tubería, en metrosA su vez: hf= 1,21.10¹².(Q/C)1.852.D-4.87

En donde:Q: es el caudal de la tubería en lps.C: coeficiente de fricción que depende de la tubería.D: diámetro interno de la tubería en milímetro. (Valverde, 2007)

- La tubería puede ser una porción de la línea que posee características físicas uniformes (fundamentalmente a lo que se refiere diámetro interno). Un caso particular lo constituyen la tubería equivalente serie y la tubería equivalente paralelo mediante una única tubería cuyas características sean equivalentes a las del conjunto. Refiriéndonos al esquema topológico de la red, las líneas tienen un significado más general, ya que

representan no solamente tuberías o agrupaciones de las mismas, si no también cualquier elemento que implique transferencia de caudal, bien sea con aporte de energía (como el caso de las bombas) o con disipación de la misma (por ejemplo, una válvula). Un nudo corresponde al punto donde se reúnen de dos o más líneas, o bien al extremo final de una línea. Cuando un nudo recibe un aporte externo de caudal se denomina nudo fuente; inversamente, cuando un nudo ni recibe ni aporta caudal al exterior se denomina nudo de conexión. (García, Iglesias, Fuentes, 2005)

- Las tuberías, tanto si son de PVC (policloruro de vinilo) o PE (polietileno), además de cumplir las normas de calidad, deberán responder a unos cálculos y diseños correctos.Colocando varios manómetros en distintos puntos de la instalación que sean representativos, podremos conocer las pérdidas de carga en estos tramos de tubería y comprobar que la disminución o el aumento de presión, en caso de desniveles desfavorables, no sobrepasan unos valores aceptables que dependerían de la topografía del terreno y de la longitud de las tuberías. Con desniveles desfavorables se considera aceptable que la pérdida de carga sea igual a la diferencia de cota.Con el desnivel desfavorable se considera aceptable una pérdida de carga del 1 por cien aproximadamente.Los elementos de filtrado son quizás los más importantes en un cabezal de riego localizado, ya que de él depende el posterior funcionamiento de los goteros.Para comprobar si el dimensionado de los filtros de una determinada instalación es suficiente para el caudal de dicha instalación tendremos que averiguar la pérdida de carga que se produce a través de ellos colocando manómetros antes y después de los filtro; dicha pérdida dependerá del tipo de filtros que se hayan instalado, cada filtro tiene su propia curva característica de pérdida de carga; según el caudal filtrado, en general no deberá superar los 5 m.c.a. (metros de columna de agua) por cada sistema de filtrado. (Amoros, 2000)

OBJETIVOS.

- Determinar las presiones de flujo estático y dinámico- Observar la diferencia entre caudal en flujo dinámico (serie y paralelo)- Observar la pérdida de carga en flujo dinámico (serie y paralelo)

MATERIALES Y MÉTODOS

- Manómetro.- Pie de Rey.- Aspersores.- Tuberías (mangueras) de riego.- Cronómetro.

MÉTODO

- Utilizando los manómetros se procedió a realizar varias lecturas una de al ras del piso y dos posteriores cada una a un metro de altura, es decir a 1m. y 2m. de altura respectivamente.

- Realizar las respectivas lecturas con ayuda del manómetro a las pérdidas de carga tanto en estática (sin flujo de agua) como en dinámica (con flujo de agua).

- Tomar las medidas con ayuda de la cinta métrica a las mangueras tanto de 16 mm y 20 mm

- Se realizó caudal con ayuda de un cronómetro durante 2 minutos a ambas tuberías de 16mm y 20mm.

- Aplicar la fórmula de Hazen-Williams para el desarrollo del cálculo:

Hf = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L (1/D)4.875

RESULTADOS

Medición de los diámetros de las mangueras, flujo estática:

1. Diámetro 16mm: Nominal

- Diámetro externo: 16.5 mm: Real- Diámetro interno: 13.3 mm: Real - Espesor: 16.5 - 13.3 = 3.2/2 = 1.6 mm

2. 20mm: Nominal

- Diámetro externo: 20 mm: Real- Diámetro interno: 16.6 mm: Real - Espesor: 20 – 16.6 = 3.4/2 = 1.7 mm

Presión estática, Se midió la presión a diferentes alturas

a.) 0m: 37 m.c.ab.) 1m: 36 m.c.ac.) 2m: 35 m.c.a

Flujo Dinámico en Serie:

Coeficiente rugosidad del polietileno = 150.Longitud de mangueras:Filtrado: 14.76 mMar: 16.80 mSierra: 16.75 m

Sección filtrado: 20mm

- Presión inicial: 41 m.c.a- Presión final: 38 m.c.a- Diámetro nominal: 20 mm- Diámetro interno: 16.6 mm - Espesor: 20 – 16.6 = 3.2/2 = 1.7 mm- Longitud de manguera: 14.76 m

Se realizaron tres medidas de caudal cada 2 minutos:610 ml600 ml 610 ml

Promedio= 606.67 606.67 2 ` X 60 `

X = 18200.1 ml = 18.2 L.H-1.ha-1 = 0.018 m3.ha-1H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f = 1.131 (109).( 0.018 /150)1.852 . 14.76. (1/16.6)4.875

H f = 0.01031 m.c.a

Sección Sierra: 16mm

- Presión inicial: 38 m.c.a.- Presión final: 36 m.c.a.- Diámetro nominal: 16 mm- Diámetro interno: 13.3 mm- Longitud de manguera: 16.75 m- Espesor: 1.6 mm

Q: 0.018 m3.ha-1H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852L .(1/d)4.785

H f = 1.131 (109).(0.018/150)1.852.16.75.(1/13.3)4.875

H f = 0.0344 m.c.a

Flujo Dinámico en Paralelo

- Presión inicial: 41 m.c.a- Presión final: 38 m.c.a- Diámetro nominal: 20 mm- Diámetro interno: 16.6 mm - Espesor: 20 – 16.6 = 3.2/2 = 1.7 mm- Longitud de manguera: 14.76 m- Q: = 0.01031 m.c.a

Sección Mar: 20mm

Longitud de manguera: 16.75 m X = 18200.1 ml = 18.2 L.H-1.ha-1 = 0.018 m3.ha-1 * Por un tema práctico al caudal del emisor en la manguera de 16 mm se multiplica por 40%, dando como caudal = 0.072 m3/ha

Sección Sierra: 16mm

Longitud de manguera: 16.80 mX = 18200.1 ml = 18.2 L.H-1.ha-1 = 0.0108 m3.ha-1

* Por un tema práctico al caudal del emisor en la manguera de 16 mm se multiplica por 60%, dando como caudal = 0.0108 m3/ha

QT= Q1 + Q2QT = 0.072 + 0.0108 = 0.0828 m3/ha

COMPARACIÓN DE CAUDALES

- Tubería principal: 0.0344- Tubería paralelo: 0.0828

a.) Perdida de carga por fricción en principal: Filtrado 20 mm

Q= 0.01031L.H-1 C= 150 L= 14.76 m D= 16.6 mm H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f = 0.00366 m.c.a

b.) Perdida de carga por fricción en lateral mar: 20 mm

Q= 0.072 L C= 150 L= 16.80 m D= 16 mm

H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f = 0.0182 m.c.a.c.) Perdida de carga por fricción en lateral sierra: 16mm

Q= 0.0108 C= 150 L= 16.75 m D= 13.3 mm

H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f = 0.00133 m.c.a

Problema del Libro:

Se calcula igualmente la presión necesaria en una bomba que se encuentra en un pozo a 40m de profundidad, con una columna de agua de hierro de más de 5 años de 150mm, que descarga en una tubería de PVC de 150mm de 100m, adosada a otra de PVC de 100m y 120mm, y a una última de 100mm de longitud. La presión necesaria para el funcionamiento de los filtros es de 0.3 MPa. Q= 124.17C= 80L= 40md= 150mm

H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f = 2.515 m.c.a

Q= 124.17C= 150L= 100md= 150mm

H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f = 1.963 m.c.a

Q= 124.17C= 150L= 100md= 120mm

H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f = 5.827 m.c.a

Q= 124.17C= 150L= 100md= 100mm

H f = 1.131 (109).(Q/C)1.852 . L . (1/d)4.875

H f =14.172 m.c.a

∑ H f = 24. 477 m.c.a

Presión necesaria:

40 + 30 + 24.477 = 94.477 m.c.a

DISCUCIÓN

- Para la medición de presión en el flujo estático, se realiza la medición con manómetro a tres puntos de altura siendo: ras del suelo, 1 metro y 2 metros; y observamos que las presiones varían, al ras es 37 m.c.a., a 1m 36 m.c.a. y a 2m 35 m.c.a., esto se debe a que con forme se aumenta un metro de altura, también disminuye en la misma proporción la presión.Por tal motivo la presión debe medirse siempre al nivel (ras) del suelo.

- Al realizar la medición de los caudales en el flujo paralelo dinámico, se tomaron 3 muestras de caudales en los emisores de las 2 secciones 16 mm sierra y 20 mm mar, en la parte teórica se dice que el caudal que emite la sección de filtrado debería dividirse en 2, pero no sucedió, posiblemente debido a que el caudal emitido desde filtrado es a mucho mayor al caudal que emite cada emisor en las diferentes secciones (16 mm alta y 20 mm baja), por eso para un tema práctico al caudal de 20 mm mar se le quita un 60% y al caudal de 16 mm sierra un 40%, esto se realiza para poder observar el caudal que debería haber emitido realmente el emisor, siempre y cuando el caudal del filtrado no sea mucho mayor al que pueden emitir los emisores el cual soporta entre 10 – 12 metros.

CONCLUSIONES

- Si hay pendiente por cada metro de altura se pierde igual un metro. Y los goteros solo pueden trabajar a una presión de 10 – 12 metros.

- Se encontraron las presiones en los diferentes flujos estático y dinámico, para estático en un mismo punto pero a diferentes alturas y dinámico en sus diferentes tramos pero variando sus alturas.

- La pérdida de carga en el flujo dinámico (serie y paralelo) son diferentes debido a que los caudales de estos varían y cuando aplicamos la fórmula de Hazen-Williams obtenemos pérdidas de descarga diferentes.

BIBLIOGRAFÍA

- Soto J., 1996. Fundamentos sobre el Ahorro de Energía. Ediciones de la Universidad de

Yucatán, México. Página 3.8- Gurovich J., 1985. Fundamentos y diseños de Sistemas de Riego. San José, Costa Rica.

Página 384- Valverde J., 2007. RIEGO Y DRENAJE. Editorial Universidad Estatal a Distancia. San José,

Costa Rica. Página 141- Pérez G., Iglesias P., Fuentes Vicente., 2007. FLUJO ESTACIONARIO DE FLUIDOS

INCOMPRESIBLES. Editorial Politécnica de Valencia. Valencia, España. Página 57

- Amoros M., 2000. RIEGO POR GOTEO EN CÍTRICOS. Editorial Mundi-Prensa. Madrid, España. Página