Práctica de laboratorio: Fricción en tubería recta y accesorios

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA, ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

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CURSO: OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS

PRÁCTICA DE LABORATORIO:

FRICCIÓN EN TUBERÍA RECTA Y ACCESORIOS

DOCENTE: CASTILLO VALDIVIEZO, ANCELMO

INTEGRANTES DEL GRUPO 4-B:

COORDINADOR DE LA PRÁCTICA: PAREDES CALDERÓN, FABIÁN

RESPONSABLE DE LA PRÁCTICA: QUISPE CORTIJO, RODRIGO

ALIPIO CRUZ, LIZ

GERÓNIMO BOÑÓN, FRANCISCO

HUACCHA ROMERO, PIERO

TRUJILLO, 2025

1. Introducción

En los sistemas hidráulicos reales, la energía no se conserva por completo debido a pérdidas causadas por la fricción del fluido con las paredes y por los accesorios como codos, válvulas o reducciones. Estas pérdidas, conocidas como menores, generan una caída adicional de presión que debe considerarse en el diseño de redes de tuberías. En esta práctica se analizó el comportamiento del flujo de agua a través de un sistema de tuberías de cobre con diversos accesorios. Como señalan Fox y McDonald (2004), “las pérdidas locales pueden ser significativas y deben considerarse en el diseño eficiente de redes hidráulicas”.

1. Objetivos

• Determinar las pérdidas por fricción para transporte de un fluido en fase líquida.
• Determinar de manera experimental una ecuación que exprese la relación entre el factor de fricción y el número de Reynolds para la circulación de agua en el sistema 2. f = φ(NRe)
• Graficar:

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• Determinar la longitud equivalente para los accesorios que se encuentran en el trayecto 3.

1. Material y métodos

3.1. Material de Estudio

• Agua

El agua fue seleccionada como fluido de trabajo por su disponibilidad, bajo costo y comportamiento estable. Sus propiedades físicas, como la densidad constante a temperatura ambiente y su naturaleza incompresible, la convierten en un líquido ideal para prácticas de medición de caudal (Martínez & García, 2008).

• Equipo de pérdida de carga en tubería recta y con accesorios

Compuesto por un manómetro de 8 pulgadas de largo con escala graduada, 10 sistemas de tubería de cobre de ½ pulgada tipo L para derivaciones de corriente de circulación, 1 bomba centrífuga de 2 HP para otorgar presión al fluido, un pequeño tanque con entrada y salida de agua.

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3.2. Método

Tras la mediciones del laboratorio, pasamos a metros las diferencias de altura del mercurio (1 cm = 10^-3 m) y se procedió a calcular el caudal volumétrico: Q = V/t Siendo Q (caudal), V (volumen del balde) y t (tiempo de llenado del balde)  (Valdivielso , 2020), a su vez pasamos su unidad de medida a m^3/s (1 ml/s = 10^-6 m^3/s).

A partir de la tabla A del libro de Mott, calculamos la densidad y viscosidad dinámica del agua en sus diferentes temperaturas mediante interpolación lineal con la siguiente fórmula (Burden & Faires, 2011):  [pic 5]

Procedimos a calcular las pérdidas menores (hL): [pic 6]. Consideramos la densidad del mercurio constante ([pic 7] = 13600 kg/m^3).

El diámetro de la tubería dado D=½’’, lo pasamos a metros (1 pulg = 0.0254 m), al ser la tubería circular, calculamos su área, según Stewart (2012) con la fórmula : pi*D^2/4 y con ella la velocidad para cada medida, con la fórmula: v = Q/A.

Hallamos el número de Reynolds con la fórmula dada por Cengel y Cimbala (2014): [pic 8]

Posteriormente, calculamos el factor de fricción de cada medida a través de la siguiente fórmula: [pic 9] Considerando el valor de la gravedad como 9.8 m/s^2 y la longitud de la tubería como 10 pies, es decir 3.048 metros (1 pie=0,3048 m).

Formamos pares ordenados con cada valor requerido y procedimos a utilizar la aplicación de Excel para las gráficas correspondientes: hl vs v y hl vs Nre con funciones lineales y f vs v, f vs Nre con funciones potenciales. Comparamos nuestra función potencial de f vs Nre con la ecuación de Blausius que permite determinar el factor de fricción para un flujo turbulento, Munson(2013): [pic 10]

Repetimos el procedimiento hasta la gráfica de hl vs v para la tubería 3 (incluye 4 accesorios de vueltas en retorno) y en esta gráfica agregamos los pares ordenados y ecuación lineal de la tubería 2. Con las velocidades del tubo 3, determinamos su hl (hl corregido) con la función lineal de la tubería 2. Procedimos con el cálculo del hL de los accesorios mediante la fórmula: hLacc = hL tubo 3 - hL correg.

Hallamos el hL esperado mediante la fórmula: hLdiag/L2, siendo la longitud de la tubería 2 igual a 3.048 m.

Por último determinamos la longitud equivalente de los accesorios de la tubería 3 con la fórmula: [pic 11]

Promediamos el valor de cada Longitud equivalente para determinar a cuanta distancia equivale cada accesorio del tubo recto.

 3.3. Descripción del Equipo

• Manómetro en forma de U

Según Serway y Jewett (2014), los manómetros en forma de tubo en U miden la diferencia de presión entre dos puntos mediante la variación de altura de una columna de líquido, usualmente mercurio, dentro de un tubo transparente.

• Sistemas de tubería de cobre

Las tuberías de cobre son ampliamente utilizadas en sistemas hidráulicos debido a su durabilidad, resistencia a la corrosión y capacidad para manejar altas presiones y temperaturas, lo que las hace ideales para la conducción de agua y gases en edificios y laboratorios; estas tuberías se ensamblan mediante uniones soldadas o accesorios, y permiten un flujo constante y seguro. Su superficie interior lisa reduce la pérdida de presión y evita la acumulación de sedimentos, lo que contribuye a la eficiencia del sistema. (McAllister, 2015).

• Bomba centrífuga de 2 HP

Una bomba centrífuga de 2 HP es un dispositivo mecánico utilizado para trasladar líquidos mediante la acción de un impulsor rotatorio que genera fuerza centrífuga. Este tipo de bomba es común en sistemas de abastecimiento de agua, procesos industriales, riego agrícola y laboratorios. La potencia de 2 HP la hace adecuada para tareas de exigencia media, ofreciendo un buen equilibrio entre caudal y presión. Su diseño simple y robusto permite un mantenimiento sencillo y una operación eficiente y continua (Mataix, 2005)

• Balde

Un balde es un recipiente cilíndrico, generalmente de plástico o metal, utilizado para contener, transportar o medir líquidos. En contextos técnicos o de laboratorio, los baldes se emplean para recoger agua o líquidos de proceso, medir volúmenes aproximados o auxiliar en experimentos de hidráulica. Su capacidad, forma y resistencia hacen que sea un instrumento práctico en tareas de medición manual y transporte de líquidos (Calvo, 2001).

• Cronómetro

Hewitt (2008) señala que el cronómetro es una herramienta esencial en física experimental para medir tiempos con exactitud, permitiendo determinar velocidades, periodos y otros parámetros temporales.

• Regla graduada

La regla graduada o nombrada únicamente como regla, es una herramienta de medición con forma delgada rectangular que tiene marcada una escala de longitud, la podemos encontrar en centímetros, pulgadas o mixta (MecatrónicaLATAM, 2021).

• Probeta

Es un cilindro transparente, generalmente fabricado en vidrio o plástico resistente, con una escala graduada en unidades de volumen (mililitros o litros). Esta herramienta permite medir con alta precisión el volumen de líquidos, gracias a su diseño que facilita la lectura de la altura del líquido en su interior (González, 2017).

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