Manual Banco de Tubos(Ali - Una)

Laboratorio de Procesos Químicos

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANNESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA

QUÍMICA

GUÍA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO


“EXPERIMENTO DE BANCO DE FLUJO DE FLUIDOS DE PÉRDIDA REGULAR Y SINGULAR EN SISTEMAS DE

TUBERÍAS”

Tacna – Perú2008

PRESENTACIÓN

La presente guía titulada “Experimento Banco de Flujo de Fluidos de Pérdida de Carga Regular y Singular en Sistemas de Tuberías” es parte del equipo experimental de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann de Tacna.

Las ecuaciones formuladas son para evaluar las pérdidas de carga regular y singular de los diferentes accesorios instalados en el sistema de tubería, gran parte de los resultados son validados con datos de la literatura.

Esta guía puede perfeccionarse en base a los resultados obtenidos durante la operación del equipo experimental, así mismo, se puede actualizar la información de datos de coeficiente de pérdida, especialmente para los accesorios de conexión, de acuerdo a las características de los materiales y en base a los textos especializados en el tema.

Finalmente deseo agradecer al. Ing. MSc Juan Viloche Bazán, Decano de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann de Tacna por la confianza depositada en mi persona al proponerme como Jefe del Laboratorio de Operaciones Unitarias. Así mismo quedo extensivo mis agradecimientos al Ing. MSc Higinio Zúñiga Sánchez, Director de la Maestría en Ciencias Mención Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Altiplano de Puno y al Ing. MSc Cipriano Mendoza Rojas, responsable de la construcción del equipo experimental.

Ing. MSc Ali Epifanio Díaz CamaDocente de la UNJBG de Tacna

Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química


EXPERIMENTO BANCO DE FLUJO DE FLUIDOS DE PÉRDIDA REGULAR Y SINGULAR EN SISTEMAS DE TUBERÍAS

1. OBJETIVOS.

1.1. GENERALES

- Calibrar los diferentes dispositivos de medición de flujo.- Realizar la comparación directa de medición de flujo utilizando un

venturímetro y rotámetro.- Demostrar la aplicación de la ecuación de Bernoulli para fluidos

incompresibles.

1.2. ESPECÍFICOS

1.2.1. Medidor de Venturí

- Medir directamente la distribución de carga estática a través del tubo de Venturi y comparar los resultados experimentales con las predicciones teóricas.

- Determinaremos la constante de la ecuación de calibración de Venturi.

- Determinar el coeficiente de descarga a varias velocidades de flujo y estudiar su comportamiento en función del número de Reynolds.

1.2.2. Medidor de orificio en Cañería.

- Determinaremos la constante de la ecuación de calibración de orifico.


- Calcular el coeficiente de orificio en función del número de Reynolds.

- Dimensionar el diámetro del orificio con los resultados del experimento.

1.2.3. Tubería recta y Accesorios de Conexión.

- Determinar para cada experimento el factor de fricción en la tubería circular con el número de Reynolds.

- Investigar experimentalmente la dependencia de f con el número de Reynolds.

- Comparar los resultados experimentales con el valor bibliográfico.

- Comparar la caída de presión de los diferentes dispositivos de medición de flujo (Venturi, Orificio y Rotámetro) y accesorios de conexión (codo 90º, Te, retorno en U, expansión y contracción brusca, válvulas)

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1. ECUACIÓN DE CALIBRACIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO

Los dispositivos como Venturi y orificio, que se utilizan para medir el caudal de flujo, se pueden calibrar para determinar el caudal volumétrico conocida como la caída de presión P1 - P2, debido al aumento de velocidad provocada en la sección de estrechamiento. Aplicando la ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad entre los puntos (1) y (2) se tiene:

(1)

(2)

De la ecuación (1) y (2) resulta:

(3)

Introduciendo el factor de corrección por fricción (C) y si se tiene en cuenta que , de altura manométrica referida al propio liquido que circula por la

conducción que es leída en un tubo piezometrico, se tiene:

(4)


como el caudal no varia a lo largo de conducción se tiene

(5)

Entonces

(6)

Para calibrar el instrumento, esta ecuación se expresa en la forma

(7)

Es decir una recta pendiente de la siguiente forma:

que constituye una asociación de magnitudes a la geometría de la conducción.

La ecuación anterior podemos expresarla como una ecuación de calibración para los medidores de flujo (Venturi, orificio) se expresan como:

(8)donde,

(9)

Una grafica de lnQ versus ln(h) graficadas convenientemente en papel log – log permite calcular la constante K y la pendiente n, con lo cual podemos determinar la ecuación de calibración de Venturi y orifico.

2.2. MEDIDORES DE FLUJO

Son dispositivos que consisten en una reducción en la sección de flujo de una tubería de modo que produzca una caída de presión como consecuencia de aumento de velocidad.

2.2.1. Medidor de Ventura

Habiendo un balance entre el punto (1) tubería y el punto (2) garganta y despreciando las pérdidas por fricción se tiene:


(10)

y para un fluido incomprensible la ecuación de continuidad es:

(11)

Sustituyendo y haciendo la simplificación Z1=Z2. Calculamos la velocidad en la sección de tubería.

(12)

Considerando pérdida por fricción, es necesario agregar el coeficiente de ventura Cv, con lo que la ecuación resulta.

(13)

Si se tiene en cuenta para medir (P1 – P2) se utiliza un dispositivo tipo piezometrico, se tiene que:

(14)

entonces, la ecuación queda en la forma

(15)

Para el propósito de evaluación del coeficiente de Venturi (Cv) la ecuación la reordenamos como:

(16)

Donde


El valor de Cv se evalúa en función del número de Reynolds y su valor medio es 0,98 de acuerdo a la literatura.

2.2.2. Medidor de Orificio

La ecuación para obtener el coeficiente de orificio (Co) es de manera similar a la de un venturimetro.

(17)

El valor de Co para orificio varia entre 0,60 y 0,62 de acuerdo a la bibliografía.

2.3. PERDIDAS POR FRICCIÓN

Para la aplicación industrial de la ecuación den Bernoulli es necesario conocer el termino de perdidas por fricción regular (tubo recto) y singular (accesorios de conexión) para seleccionar la potencia de una bomba.

La ecuación general planteada para este caso, considerando perdida por fricción regular y singular entre las secciones 1 y 2 sin considerar la presencia de una bomba es:

(18)

(19)

2.3.1. Perdida regular en sección constante (tubería)

Considerando una tubería de sección uniforme (v1 = v2) y en posición horizontal (Z1 = Z2), la ecuación de Bernoulli se simplifica a:

(20)

donde (p1-p2) es la caída de presión debido a la perdida por fricción entre las secciones (1) y (2). El valor de (p1-p2) se puede medir utilizando dispositivos tipo piezómetro o fluido manométrico en U.

Para el primer caso: piezómetro

(21)


Entonces, la ecuación (20) resulta

h = h regular (perdida expresada en altura de columna de liquido)

Por otro lado se sabe que la perdida por fricción para un tubo recto se calcula como:

(22)

Sustituyendo y reordenando se tiene

Donde fF es el factor de fricción de Fanning calculado experimentalmente en función del número de Reynolds. La validez de esta ecuación se realiza con las diferentes correlaciones o graficas existentes en la literatura. El coeficiente fF

depende del número del Reynolds y la rugosidad de la tubería.

Para flujo laminar, Re<2100, fF= 16/Re

Para flujo turbulento Re>7000, existe otras correlaciones (ver literatura)

Para el segundo caso: fluido manométrico en U

(23)

La ecuación (20) se simplifica a:

(24)

y combinando con la ecuación (22) , se llega calcular


(25)

En el apéndice se presenta varias correlaciones disponibles para calcular el factor de fricción de Fanning para tubos lisos y rugosos.

2.3.2. Perdidas singulares

Se denomina perdidas singulares a cualquier cambio que se produce en una conducción, que afecta localmente la condición de escurrimiento en un sistema de tuberías o conductos, los cuales incluyen:

Codos, Tes. y curvas parea cambiar la dirección de flujo de la tubería.

Adaptadores para cambios en el tamaño de la tubería (ensanchamiento y contracción).

Válvulas para control de flujo (compuerta, globo y bola).

Las perdidas singulares se calculan empleando un coeficiente de perdida K.

(26)

El coeficiente de perdida (K singular) es una función de la geometría y del numero de Reynolds. La mayoría de los componentes generan perdidas de energía son, en general, casi independiente del numero de Reynolds.

Una alternativa al método del coeficiente de pérdida para calcular pérdidas singulares es el método de longitud “equivalente”. En este método, se “reemplaza” el componente por un tramo recto de tubería (o conducto) que produjera la misma perdida. Al igualar la perdida equivalente por fricción en la tubería con la perdida real, se tiene:

(27)

(28)

donde fF es el factor de fricción en la tubería en el cual esta instalado el componente.


En la práctica, los coeficientes locales de perdidas singulares o las longitudes equivalentes se obtiene de manuales o para una mayor precisión, de las especificaciones del fabricante (ver tablas en apéndice)

Experimentalmente los coeficientes de pérdidas singulares se calculan de la ecuación de Bernoulli.

(29)

(30)

(31)

VálvulasUtilizando líquido manométrico para medir caída de presión:

(32)

(33)

supongamos Z1 = Z2 (posición horizontal)

v1 = v2 (sección constante)

donde

(34)

Entonces


(35)

Codo y Te

La caída de presión se mide con tubo piezométrico y suponiendo que:

(36)

Ensanchamiento y Contracción

Para el caso de ensanchamiento la ecuación de Bernoulli queda expresada en la siguiente forma para los puntos 1 y 2, suponiendo:

donde L1 y L2 son tramos rectos en los puntos (1) y (2) Por otro lado para la contracción brusca la ecuación resultante es:

3. EQUIPO EXPERIMENTAL


Para el desarrollo de la actividad experimental, el equipo que se muestra en la fig. (1) consta de:

- Tanque de almacenamiento de agua.- Bomba centrífuga.- Medidores de flujo (Venturímetro, orificio, rotámetro)- Tubería recta y accesorios de conexión.

Los diferentes dispositivos de medidores de flujo se hallan instalados en serie y el agua recicla a través del sistema. Además, la unidad cuenta con un manómetro Boudon para indicar la presión del sistema.

El venturímetro es un dispositivo estándar, el cual se representa en un esquema con sus respectivas medidas. (ver anexo)

El medidor de orificio (Di = 22 mm) se halla instalado en la tubería de una pulgadas de OD SS-304.

El rotámetro presenta una escala de 0 – 36 cm, calibrado para agua de cero a 36 L/min.

El tubo recto galvanizado de ½ “diámetro interno = 16 mm), el tubo PVC es de ½” (diámetro interno = 16 mm) y el tubo de acero inoxidable ¾” OD (19 mm), equivalente a la tubería de ½” de 16 mm de diámetro interno.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALVerificar que el tanque tenga contenido de agua.Verificar que la válvula de la bola ( Vb ), válvula de compuerta ( Vc ) y válvula de

globo ( Vg ) del sistema de tubería estén completamente abiertas.Verificar que la válvula de globo de control de flujo este completamente cerrado al

igual que la válvula de retorno By pass (V2).Poner en marcha el equipo experimental a través del switch on/off, luego abrir

cuidadosamente la válvula hasta obtener y evacuar las burbujas de aire.A continuación cerrar cuidadosamente la válvula hasta un caudal de 4 LPM y

apagar el motor para proceder a suministrar aire a través de un inflador para controlar el nivel de referencia del liquido piezometrico, se recomienda que sea lo mínimo posible por debajo de la escala cero, en todos los casos, tanto para medidores de flujo y los diferentes accesorios de conexión (codo, Te, expansión, contracción y curvatura de retorno).

De igual forma evacua aire de los manómetros de tubo recto y válvulas (globo, compuerta y bola).

A continuación se pone en marcha nuevamente la bomba y se procede con el experimento iniciando con un caudal de 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 y 22 LPM (máximo por limitación de las altura de la columna del líquido de los piezometros).

Finalizando el experimento apagar el switch, en caso utilizar por mas de quince días es necesario para drenar el agua del sistema, a través de los tampones instalados. Es necesario desfogar todo el agua del sistema de tubería a través de los tampones que están colocados en las diferentes tes del equipo, menos en la te de evaluación.


Para la curva de calibración del rotámetro, fijar un caudal en el rotámetro y luego tomar el volumen y tiempo (se recomienda tres tomas por cada lectura del rotámetro).

5. CALCULOS

5.1. MEDIDOR DE VENTURI

Calcular valores de (h1-h2)1/2 de las mediciones experimentales a diferentes caudales de flujo. Graficar en un papel milimetrado la variación de (h1-h2)1/2

con respecto al caudal (Q). Y determine el valor de la constante K, que expresa la calibración del medidor de flujo.

Calcular el coeficiente de Venturi Cv en función del número de Reynolds. Graficar Cv Vs Q y Cv Vs Re en un papel semilogaritmico.

Determinar el diámetro de la garganta de Venturi utilizando los siguientes datos:Flujo : 0.4m3/sDiámetro : 0.5mh : 0.8 m de columna de agua Densidad : 1000Kg/m3

5.2. MEDIDOR DE ORIFICIO

Calcular la ecuación de calibración de Q = (h1-h2)1/2 y determinar gráficamente la constante K para el medidor de orificio.

Calcular Co en función del Número de Reynolds y graficarlo.Calcule el error experimental.Dimensionar el diámetro del orificio con la ayuda de los resultados de los

experimentos y diagramas adjuntos:

Diámetro : d1 = 0.025mFlujo : Q = 0.40 E-3m3/sDensidad : = 1000 Kg/m3

5.3. PERDIDA POR FRICCION

Para cada experimento calcular el número de Reynolds y la perdida de carga en el tubo.

Calcular el factor de fricción para cada experimento.Construir el diagrama fF = f(Re) en un papel logarítmico.Comparar con el diagrama de Moody y correlaciones de la literatura.Calcular el error experimental.

5.4. ACCESORIOS DE CONEXIÓN

Para cada experimento determinar la pérdida de carga debido a la fricción y al coeficiente de fricción K en función del número de Reynolds.


Calcular la relación h/V2ent/2g con los resultados de la etapa 1 y construir el

diagrama en papel milimetrado para los siguientes dispositivos;

codo 90º, Te, U y válvulas.

6. DISCUSIÓN

Medidores de Flujo:

1) Discutir las diferencias entre los resultados experimentales y teóricos con un análisis del error experimental.

2) Discutir el rango de validez de los coeficientes calculados.

3) Determinar el porcentaje de pérdidas de energía para Ventura y orificio. Discutir sus resultados

4) Discutir por qué la carga piezométrica decae a un valor mínimo en la garganta del medidor de Ventura y orificio.

5) Discutir la concordancia existente de los resultados obtenidos de tubería y accesorios y la conducta esperada según antecedente bibliográficos.

7. CUESTIONARIO

1) ¿Cual de los dispositivos de medición de flujo considera Ud. el mas adecuado para medir caudales en una tubería?

2) Proponga el método más adecuado para la medición de grandes caudales de flujo de agua

3) Señale los principales factores que intervienen en la variación del coeficiente Co, en el medidor de orificio.

8. BIBLIOGRAFÍA

R. B. Bird, W. E. Stewart, E. N. Lightfoot; “FENOMENOS DE TRANSPORTE”. Edit. Reverté,

s.a. Mexico 1995.

Daby Ron; “CHEMICAL ENGINEERING FLUID MECHANICS”. Edit. Marcel Deckker In.

USA-2001.

Costa Novela y otros “MECANICA DE FLUIDOS”. Edit. Alambra. Mexico 1980.

Valiente A.; “PROBLEMAS DE FLUJOS DE FLUIDOS”. Edit. Limusa. México – 1994.

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