PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN TUBERÍAS

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía debido a la fricción que hay entre el liquido y la pared de la tubería; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo. Al calcular las pérdidas de carga se requiere el factor de fricción del tubo, un parámetro adimensional. 

En estructuras largas, las pérdidas por fricción son muy importantes, por lo que ha sido objeto de investigaciones teórico experimentales para llegar a soluciones satisfactorias de fácil aplicación.

Para estudiar el problema de la resistencia al flujo resulta necesario volver a la clasificación inicial de los flujos laminar y turbulento.

Osborne Reynolds (1883) en base a sus experimentos fue el primero que propuso el criterio para distinguir ambos tipos de flujo mediante el número que lleva su nombre, el cual permite evaluar la preponderancia de las fuerzas viscosas sobre las de inercia.

La pérdida de carga continua es directamente proporcional a la velocidad del líquido y a la longitud del tramo de tubería que estamos considerando, e inversamente proporcional a su diámetro. El factor de fricción (f) es adimensional y es función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la tubería, parámetro que da idea de la magnitud de las asperezas de su superficie interior:

Es un hecho demostrado que la rugosidad relativa no influye sobre f en régimen laminar
 (Re < 2300), ya que el rozamiento se debe fundamentalmente a la fricción de unas capas de fluido sobre otras y no de éstas sobre las paredes de la tubería. Sin embargo, para Re > 2300 las cosas cambian y la rugosidad relativa adquiere notable importancia, como veremos posteriormente. La ecuación de Darcy – Weisbach puede ponerse en función del caudal circulante, ya que el caudal que fluye por una conducción circular a plena sección está ligado al diámetro y a la velocidad media por la relación:

 

Se deduce que un aumento en el caudal o un aumento en la velocidad del líquido implica un aumento en la pérdida de carga, mientras que diámetro y pérdida de carga están inversamente relacionados.

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

Para el desarrollo de esta práctica, se pretende determinar la pérdida de carga resultante por fricción con las paredes de una tuberia  tanto para un flujo laminar como turbulento, por medio de un cambio de presión que se da desde la entrada hasta la salida del fluido, para cada tipo de fluido se realizaron distintas mediciones intentando variar el caudal por medio de las válvulas sabiendo que a una mayor restricción el caudal es menor y por lo tanto resulta un flujo laminar, después de hacer estas mediciones se determinó el caudal a partir del tiempo tardado en llenar un volúmen cualquiera.  Dicho procedimiento se realizó por medio de un equipo básico  Gunt 150.01 que sera descrito a continuación:

  El HM 150.01 permite estudiar la relación entre la pérdida de carga como consecuencia de la fricción en fluidos y la velocidad en el flujo del tubo, además se determinar el factor de fricción del tubo.
  El equipo de ensayo posee una sección de tubo de pequeño diámetro en el que se genera un flujo laminar o turbulento. A partir del caudal y la pérdida de carga se determina el número de Reynolds y el factor de fricción del tubo. Con el flujo turbulento, la tubería es alimentada directamente desde la alimentación de agua; con el flujo laminar, un tubo vertical en el rebosadero se encarga de la presión inicial constante necesaria. El caudal puede regularse por medio de válvulas.
  Las presiones en el flujo laminar son registradas con 2 tubos manométricos(figura 1). La presión en el flujo turbulento es leída en un manómetro de aguja.(figura 2 y 3)
  El equipo de ensayo se coloca de forma sencilla y segura sobre la superficie de trabajo del módulo básico HM 150. El suministro de agua y la medición de caudal se realizan a través del HM 150. Como alternativa, el equipo de ensayo también se puede conectar a la red del laboratorio. 

Especificación

[1] el depósito transparente con rebosadero garantiza una presión constante de la entrada del agua en la sección de tubo para ensayos con flujo laminar [2] manómetro de aguja para mediciones con flujo turbulento [3]sección de tubo para ensayos con flujo laminar [4] alimentación de agua a través del HM 150 o a través de la red del laboratorio con flujo turbulento [5] puntos de medicion de presion [6]  determinación de caudal a través del módulo básico HM 150F [7] 2 tubos manométricos para mediciones con flujo laminar figura 1. conexión flujo laminar figura 2. manómetro de aguja figura 3. conexión flujo turbulento

Los datos obtenidos a partir de la práctica fueron los siguientes:

Tabla 1. Datos tomados en el laboratorio

Para la obtención de resultados se realizaron los siguientes cálculos:

Número de Reynolds (Re):

Para hallar este dato para cada flujo, se debe hacer uso de la siguiente ecuación:

Velocidad (v):

En el cálculo de esta medida es necesario el uso del caudal (Q) y el área transversal del tubo

hL experimental:

En la realización de este cálculo (pérdidas primarias experimentales) se debe tener en cuenta el tipo de flujo:

Para realizar las conversiones de las presiones de Psi a Pa se utilizó el siguiente factor de conversión:

Resultando un ΔP de  18093.75 Pa y 14475 Pa respectivamente para los flujos turbulentos.

Factor de fricción experimental (fexp):

Este valor depende de las perdidas primarias experimentales en la tubería (hL) para cada flujo halladas anteriormente

Factor de fricción teórico (fteor):

Para calcular este valor, se tiene en cuenta el régimen del fluido

• Laminar

• Turbulento

hL teórico:

% Error

Este dato nos permite determinar el desfase entre el valor teórico y el valor experimental que resultó en las perdidas de carga y el factor de fricción

Por lo tanto tenemos los siguientes resultados:

Los porcentajes de error obtenidos entre los valores teóricos y experimentales fueron:

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En primer lugar, podemos determinar que el flujo laminar en el circuito se pudo generar abriendo la válvula que conecta el tubo transparente de alimentación(agua) con el tubo vertical del rebosadero , ya que este último garantiza mantener la presión inicial constante reflejada en el primer tubo manométrico, mientras que el  segundo tubo manométrico representa la presión después de que el flujo pase por la tubería de 0.4 m de largo sometiéndose a una pérdida de carga por fricción; esto se puede evidenciar con las alturas de la tabla 1, en donde la h2 es menor que h1 para los tres casos de flujo laminar; reflejando así que la presión en el punto 1 (donde inicia el flujo) es mayor que el punto 2 (final de la trayectoria), debe recalcarse que para lograr este tipo de flujo o régimen se debe restringir el caudal mediante las válvulas (con un caudal menor se logra un flujo turbulento). De igual forma, para conseguir un flujo turbulento se deja fluir el agua directamente desde el tubo de alimentación y mediante el manómetro de aguja se marca la diferencia de presión entre el flujo al inicio del circuito y después de ser sometido a una fricción con las paredes de la tubería, al igual que en el primer caso (flujo turbulento) la presión al inicio es mayor que la presión al final del circuito.

Con base en los resultados (tabla 2), es posible verificar que los flujos generados en el laboratorio corresponden con el requerido a partir del numero de Re, ya que para los tres flujos laminares el parámetro resulto menor a 3200 siendo el de menor caudal el más laminar, y para los dos flujos turbulentos el parámetro es mayor a 4000, siendo el de mayor caudal el más turbulento. 

Haciendo una relación entre el caudal y la pérdida de carga para todos los casos , se puede determinar que cuando hay mayor flujo, la pérdida de carga se incrementa. Sin embargo para el factor de fricción puede observarse que a mayor velocidad de flujo, este parámetro disminuye, con lo que se puede decir que entre mayor sea la turbulencia del fluido menor será la fricción contra las paredes del conducto.

Los porcentajes de error obtenidos para los flujos tanto de tipo laminar como turbulento se pudieron ocasionar en una mala medición provocada en las columnas de agua generadas por la presión del fluido en el caso de un flujo laminar y a su vez la medición en un flujo turbulento se ocasiona por una mala calibración del manómetro o por fallas de conexión entre los instrumentos. De igual forma, al ser magnitudes de cifras pequeñas, es muy probable que se tomen mal los datos observados cuando se sitúan en puntos no exactos de la escala, sino en intervalos entre estas.

CONCLUSIONES

• Cuando un fluido pasa por un conducto, se producen pérdidas de carga que se ven reflejadas en las diferencias de presión con respecto a los puntos de referencia tomados.
• La velocidad que posee un fluido, es el factor mas influyente en la pérdida de carga por fricción, ya que a mayor caudal (siendo el diámetro de la tubería constante) se incrementa la pérdida.
• Los valores experimentales obtenidos en la práctica, no presentan una diferencia significativa respecto a los valores teóricos.
• Con una mayor restricción de las válvulas (menor caudal), se logra un flujo más laminar.
• Los flujos turbulentos presentan menor fricción contra las paredes del conducto, es decir, que a mayor velocidad de flujo menor es el factor de fricción.

BIBLIOGRAFÍA
1. Botero, B. Maria L. Flujo en tuberías. Hidráulica. Recuperado de http://fluidos.eia.edu.co/
2. Cátedra de ingeniería rural. Pérdidas de carga por rozamiento en tuberias. Escuela universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de cuidad Real. Recuperado de https://www.uclm.es