Operaciones

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

LAB. DE INGENIERÍA MECÁNICA II

FLUJO INTERNO I (BANCO DE TUBERÍAS)

ING. OSWALDO M. MORALES TAQUIRI

ING. MANUEL VILLAVICENCIO CHAVEZ

LIMA, 2006

INTRODUCCION

Siempre que el hombre ha tratado de estudiar los flujos, ya sea líquidos o gaseosos, ha tenido el problema para establecer sus propiedades; su comportamiento para una posición en un instante determinado, si estos no estaban limitados por alguna superficie sólida o deformable, (en el caso de los ríos, el fluido se encuentra rodeando la mayor parte por una superficie sólida rocosa e impermeable lo que permite al flujo coexistir en esas condiciones). Esto llevo a la idea de concebir objetos que puedan retener dos fluidos, transportarlos y posteriormente hacerles cambiar de fase (intercambiadores de calor), estos objetos son las tuberías, tubos, baldes, cilindros, reservorios, etc.

Las tuberías han existido desde muchos años antes de Cristo y han sido confeccionadas de diversos materiales, como las de arcilla en las ruinas de Babilonia y el sistema de tuberías de plomo con válvulas de bronce en Pompeyo, también se han encontrado tuberías de madera; de piedras agujeradas y así como las más modernas en 1313 hechas de fierro fundido, para cañones y artillería.

Cuando se da la revolución industrial y el desarrollo de la máquina de vapor obliga al hombre a obtener un mejor diseño de las tuberías y la obtención de mejores materiales porque ahora las tuberías no sólo transportaban fluidos, sino gases a una alta temperatura y a una alta presión. Posteriormente se comenzó a realizar estudios acerca del acabado de la superficie interior de las tuberías ya que las pérdidas que se generaban eran muy grandes comparadas con la potencia que se le entregaba al fluido para que pueda ser transportado. Este factor de rozamiento dependía de la naturaleza del material y del acabado del mismo, por lo que se comenzó a diseñar tuberías cada vez más perfectas a través de las cuales la pérdida de carga sea la menor posible, teniendo en cuenta además la longitud de la misma. El desarrollo de las redes de tuberías, ya sea para obtener menores caudales; para poder llevar al flujo a varios lugares al “mismo tiempo” motivó a un mayor desarrollo del estudio de las pérdidas y la caída de presión de las mismas ya sea a través de reducción de la sección de las tuberías o de los accesorios de conexión propias de la red.

El fluido es un estado de la materia que se caracteriza por no tener la capacidad de tolerar cargas de tracción, pero si de compresión y también por que los espacios intermoleculares son relativamente más grandes que en el caso de los sólidos. Es por ello que pueden ser transportados por medio de canales abiertos y conductos cerrados.

El laboratorio realizado, enfoca su realización fundamentalmente a los flujos a través de tuberías con la intención como se verá mas adelante cuantificar las pérdidas que ocurren por la fricción cuando un fluido se desplaza en una superficie rugosa.

Con respecto a los flujos que quedan completamente limitados por superficies sólidas (por ejemplo, flujos a través de tuberías, de conductos cerrados internos, etc.) se denominan Flujo Interno.

OBJETIVO

El presente laboratorio tiene como objetivo lo siguiente:

 Determinar las pérdidas de energía, en los diferentes conductos para transporte de fluidos incompresibles (tuberías y codos), en este caso empleando agua a una determinada presión y temperatura.

 Comprobar el cumplimiento de las leyes que rigen el comportamiento de los fluidos en tuberías y accesorios.

FUNDAMENTO TEORICO

ENERGIA

Antiguamente la energía se definió así capacidad de un cuerpo de realizar trabajo mecánico. Posteriormente se demostró la equivalencia del calor y trabajo mecánico. La energía puede revestir formas muy diversas, que según la ley universal de la conservación de la energía o primer principio de la termodinámica, pueden transformarse unas en otras. Quizás la manera más clara sino la más lógica de definir la energía será el describir las distintas formas de energía que será el procedimiento que seguiremos nosotros.

La técnica estudia los cambios de una forma de energía en otra, así como su intercambio con el trabajo mecánico y calor, llamadas estas últimas formas de energía, energías en tránsito porque solo existe cuando pasa energía de un cuerpo a otro, el estudio se simplifica porque el estudio de la Mecánica del Fluido Incompresible se ocupa sólo de las formas siguientes de energía del fluido:

• Energía potencial geodésica

• Energía de presión

• Energía cinética

• Pérdidas de energía por fricción.

Energía Potencial Geodésica

Energía potencia geodésica o de posición es igual al trabajo que la fuerza de la gravedad puede ejercer cuando su altura desciende de un nivel superior a uno inferior. Cuando el líquido se remonta, con una bomba por ejemplo, del nivel inferior al superior, es preciso ejercer sobre él un trabajo contra la fuerza de la gravedad igual y de sentido contrario que se transforma en la susodicha energía potencial.

Energía de Presión

Es aquella que produce trabajo para el movimiento del volumen de un fluido.

Energía Cinética

Es aquella que produce el efecto de incrementar la velocidad de un cuerpo en movimiento.

Energía de Fricción

Es aquella que se disipa en forma de calor, o que produce desgaste, cuando se tiene dos cuerpos en contacto, uno en movimiento con respecto del otro.

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO

El movimiento de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, según diferentes criterios y según sus diferentes características, este puede ser:

Flujo turbulento:

Este tipo de flujo es el que mas se presenta en la práctica de ingeniería. En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor.

En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van desde muy pequeñas, del orden de unos cuantos millares de moléculas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies cúbicos en un gran remolino dentro de un río o en una ráfaga de viento.

Cuando se compara un flujo turbulento con uno que no lo es, en igualdad de condiciones, se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía mecánica, que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad.

La ecuación para el flujo turbulento se puede escribir de una forma análoga a la ley de Newton de la viscosidad:

Donde:

η: Viscosidad aparente, es factor que depende del movimiento del fluido y de su densidad.

En situaciones reales, tanto la viscosidad como la turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante:

En donde se necesita recurrir a la experimentación para determinar este tipo de escurrimiento.

Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:

• La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento.

• Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en túneles de viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos túneles diferentes.

• Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos gruesos, penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo "arrancan".

• Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del concepto de entropía, si la superficie de contacto está muy caliente, transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a flujo turbulento.

Flujo laminar:

Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresión de que se tratara de laminas o capas mas o menos paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas.

La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:

Esta ley establece la relación existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de deformación angular. La acción de la viscosidad puede amortiguar cualquier tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar.

En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en flujo turbulento.

FLUJO LAMINAR

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