PÉRDIDAS DE CARGAS LOCALES EN CONDUCCIONES

Pedro Manuel Gómez Larrán, Daniel Coto Falcón y Fernando Fuentes Moreno – Grupo A – Trío 5

Pérdidas de cargas locales en conducciones

1. Introducción teórica

En esta práctica trataremos de poner de manifiesto las pérdidas de carga en distintos elementos de conducción de agua, analizando la evolución de las velocidades y presiones a lo largo del circuito para diferentes caudales. De este modo, podremos estimar los parámetros característicos que definen la pérdida de carga de cada elemento.

La pérdida de carga en conducción se define como la pérdida de presión que se produce en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y con las paredes de la tubería (vacía) por la que circula. Las pérdidas de carga por el contacto con las paredes de la tubería pueden ser continuas (si el fluido circula por conductos regulares) o accidentales (cuando se produce un cambio de sección de la tubería, hay una válvula, codos, curvas, etc). En el segundo caso, dichas pérdidas se conocen como pérdidas de carga locales y se denotan como ∆hloc.

Estas pérdidas se miden en metros de columna de fluido circulante por la tubería. Para su cálculo, que podemos realizarlo mediante dos expresiones, debemos considerar un coeficiente de pérdidas (K), en la primera, o bien debemos considerar el factor de fricción de Fanning (f) e introducir el concepto de longitud equivalente1, en la segunda. Las ecuaciones para el cálculo de las pérdidas de cargas locales son:

[pic 1]

Primera expresión:                                        Segunda expresión:

K → coeficiente de pérdidas                        f → factor de fricción de Fanning

v → velocidad del flujo en la tubería                Leq → longitud equivalente

g → aceleración local de la gravedad                D → diámetro de la tubería

1 Para cada accesorio instalado en una tubería existirá una longitud equivalente ficticia que genera una pérdida por fricción igual a la pérdida localizada generado por dicho accesorio. Por ello, cuando utilicemos una ecuación de pérdidas por fricción, como la expresión de Fanning, la longitud que debe usarse para realizar el cálculo debe ser igual a la suma de la longitud de la propia tubería y de las longitudes equivalentes de cada uno de los accesorios instalados en dicha tubería.

El equipo con el que realizaremos la práctica es el siguiente y constante de los siguientes elementos:

1. Codo largo[pic 2]
2. Ensanchamiento brusco
3. Estrechamiento brusco
4. Codo medio
5. Codo corto
6. Válvula de compuerta
7. Codo en inglete
8. Válvula de compuerta a                                                                                                                                                                                la salida del sistema
9. Tubos manométricos
10. Manómetro entrada de la válvula de compuerta F
11. Manómetro salida la válvula de compuerta F

Como vemos, hay varias tomas de presión estática conectadas a los doce tubos manométricos existentes en el panel. Estos tubos manométricos están comunicados por su parte superior a un colector que lleva en uno de los extremos una pinza Hoffman. Existe una pieza estranguladora de la circulación en los conductos de toma de presión correspondientes al codo de inglete que se usa para aislar dichas tomas de presión cuando los caudales produzcan una pérdida de carga entre la entrada y la salida mayor que la que podemos medir con el cuadro manométrico.

1. Procedimiento experimental

Antes de comenzar la práctica, debemos revisar toda la instalación para asegurarnos de que todas las conexiones están correctamente puestas y que las válvulas de regulación están completamente abiertas, la de recirculación de la bomba abierta y la de conexión con la instalación cerrada. Una vez revisado todo, debemos nivelar las ramas del manómetro: arrancaremos la bomba y abriremos la válvula de conexión con la instalación para que el circule por el interior de las conducciones, cerrando parcialmente la válvula de recirculación con cuidado de no superar la presión de 1 atm en ningún manómetro. Luego, liberaremos las burbujas de aire de las conducciones y abriremos la pinza Hoffman de la conducción de silicona, en la parte superior del manómento, dejando que sala algo de agua por el colector. Luego, cerraremos la pinza y la válvula de conexión con la instalación y apagaremos la bomba. Finalmente, abriremos poco a poco la pinza hasta que consigamos nivelar todas las columnas de agua de los tubos manométricos en un valor próximo a 250.

Una vez niveladas las ramas, pasaremos al desarrollo del procedimiento experimental que se divide en dos partes:

Para la primera parte, debemos comprobar que las válvulas H y F están completamente abiertas, y que tanto la válvula de recirculación como las ramas manométricas M11 y M12 están abiertas. Una vez comprobado, encenderemos la bomba, abriremos la válvula que la conecta con la instalación e iremos cerrando la válvula de recirculación poco a poco hasta que las ramas manométricas M11 y M12 desaparezcan por la parte inferior. Mientras hacemos ésto, el caudal irá creciendo progresivamente y cuando desaparezcan las ramas M11 y M12, llegaremos a un valor de caudal que será nuestro caudal crítico. Seguidamente, estrangularemos las conexiones de las ramas M11 y M12 con la pinza hasta alcanzar un máximo de altura en el agua de los demás tubos. Debemos hacerlo hasta que el agua de un tubo se salga por la parte superior del cuadro manométrico y, en ese punto, el caudal que nos da el rotámetro será nuestro caudal máximo de trabajo. Desde este caudal máximo hasta un caudal de 250l/h, debemos realizar 10 medidas a diferentes caudales anotando la altura alcanzada por el agua en cada tubo manométrico, excepto en el M11 y en el M12. Cuando trabajemos por debajo del caudal crítico, liberaremos las conexiones estranguladas y anotaremos el valor de la altura del líquido en los tubos M11 y M12. Cada vez que cambiemos de caudal, debemos esperar 10-12 segundos para que el sistema se estabilice. NOTA: En esta primera parte debemos calcular la caída de presión de la válvula F por diferencia de alturas en el agua en las columnas correspondientes.

En la segunda parte, comprobaremos que tenemos las mismas condiciones iniciales que en la parte uno pero con la pinza de cierre de las ramas manométricas M11 y M12 cerrada. Luego, encenderemos la bomba. abriremos la válvula que la conecta con la instalación y abriremos poco a poco la válvula de recirculación para que el caudal vaya aumentando hasta alcanzar un valor de 1000l/h. En ese momento, cerraremos de forma progresiva la válvula de la compuerta F hasta que el caudal baje a 500l/h. A continuación, cerraremos progresivamente la válvula de recirculación hasta que el manómetro mecánico de entrada a la válvula F marque 1atm. El caudal que se alcance en ese momento será nuestro caudal máximo de trabajo. A posteriori, tomaremos el mayor número de medidas posible de presión en los manómetros de Bourdon variando el caudal desde nuestro caudal máximo de trabajo hasta 250l/h (o hasta que la presión sea 0, en caso de que ocurra en un valor más alto que 250). Como en la primera parte, debemos esperar a que el sistema se estabilice.

Los datos de la primera parte de la práctica nos servirán para poder determinar el valor del coeficiente de pérdidas K para una válvula completamente abierta en función del caudal establecido en el sistema a través del ajuste de las pérdidas locales frente a la carga cinética . En la segunda parte haremos lo mismo pero para el caso en el que la válvula esté cerrada hasta la mitad.[pic 3]

1. Resultados y discusiones

 En la primera parte de la práctica recogimos los datos que se exponen a continuación:

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