PÉRDIDAS POR ACCESORIOS Y DINÁMICAS

Pérdida de energía en tuberías por accesorios:

 A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo,ocurren pérdidas de energía debido a la fricción; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo.Hay tipos de pérdidas que son muy pequeñas en comparación, y por consiguiente se hace referencia de ellas como pérdidas menores, las cuales ocurren cuando hay un cambio en la sección cruzada de la trayectoria de flujo o en la dirección de flujo, o cuando la trayectoria del flujo se encuentra obstruida como sucede en una válvula, codos, tees,reductores de diámetro, etc.

En los accidentes de la conducción (uniones, codos, juntas, ensanchamientos,estrechamientos, válvulas, etc.) se producen cambios de velocidad y dirección que distorsionan el flujo y generan turbulencias que intensifican el rozamiento, contribuyendo de manera importante a la pérdida de energía mecánica del fluido.El conocimiento de estas pérdidas por fricción en conducciones tiene gran importancia por ser necesario para calcular el trabajo mecánico que es necesario aplicar al fluido, mediante bombas, en el caso de líquidos o fluidos no compresibles, para mantener una determinada presión o velocidad (y por lo tanto, un determinado caudal).Además de las pérdidas de energía por fricción, hay otras pérdidas "menores"asociadas con los problemas en tuberías. Se considera que tales pérdidas ocurren localmente en el disturbio del flujo. Estas ocurren debido a cualquier disturbio del flujo provocado por curvaturas o cambios en la sección. Son llamadas pérdidas menores porque pueden despreciarse con frecuencia, particularmente en tuberías largas donde las pérdidas debidas a la fricción son altas en comparación con las pérdidas locales. Sin embargo en tuberías cortas y con un considerable número de accesorios, el efecto de las pérdidas locales será grande y deberán tenerse en cuenta.

Pérdidas de carga ocasionadas por una válvula:

Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar,detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Existe una gran variedad morfológica, con función de los distintos fluidos a transportar y del dispositivo de cierre (válvula de bola, de compuerta, de mariposa, etc.).En el flujo de fluidos incompresibles a través de válvulas de control se cumplen las leyes de conservación de masa y energía.Así, cuando el fluido que se desplaza en el interior de una tubería atraviesa una restricción, se acelera, debiendo tomar la energía necesaria para la aceleración de la energía de presión del líquido o carga piezométrica. Una vez atravesada la contracción que supone la válvula se recupera parte de esta energía, mientras que la otra parte se pierde en forma de calor por rozamiento

Válvula de globo: Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería.

Válvulas de Compuerta: La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.

Pérdidas de carga ocasionadas por Codos:

Los Codos son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección del flujo de las líneas tantos grados como lo especifiquen los planos o dibujos de tuberías.Los codos estándar son aquellos que vienen listos para la pre-fabricación de piezas de tuberías y que son fundidos en una sola pieza con características especificas y son:

• Codos estándar de 45°
• Codos estándar de 90°
• Codos estándar de 180°

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

En la realización de este procedimiento, se llevó a cabo dos tipos de pérdidas de carga que son muy comunes a la hora de transportar un fluido por una tubería, estas pérdidas pueden darse por accesorios añadidos al circuito o por fricción con las paredes del conducto. Para la visualización de las perdidas mencionadas anteriormente, se utilizó un "banco de fluidos" (figura 1 ) integrado por una gran variedad de artefactos y tuberías. Para la práctica se eligieron 3 tipos de accesorios y a su vez 3 tipos de tuberías distintos, haciendo uso de un manómetro de mercurio y un manómetro digital (figura 2 ), los cuales tienen como función mostrar la presión ejercida por el fluido a la entrada y salida del objeto a analizar mediante la apertura y cierre de válvulas correspondientes al número asignado a cada artefacto(figura 3). Los accesorios elegidos para el laboratorio fueron válvula de compuerta (#1), válvula de globo(#5) y codo de 90° (#6), para las pérdidas dinámicas por fricción se eligieron tubería de hierro galvanizado de diámetro nominal de 1/2" y 3/4" (#17 y #10 respectivamente)  y tubería de cobre de 3/4" (#13)(figura 4). El caudal utilizado durante todo el procedimiento fue el mismo, al igual que el fluido empleado; agua. El objetivo del procedimiento es realizar una comparación entre los valores experimentales que serán calculados y los valores teóricos consignados en la literatura.

Figura 1. Banco de Fluidos

Figura 2. Manómetro digital

Figura 3. Numeración del Banco

Figura 4. Tuberías del Banco

Los datos obtenidos en el laboratorio fueron los siguientes:

Tabla 1. Datos obtenidos en el laboratorio

Número de Reynolds (Re):

Para hallar este dato se mantiene el caudal constante para todos los casos, tanto para perdidas por accesorios como para dinámicas, sin embargo, le velocidad del flujo en las perdidas dinámicas difiere debido al tipo y diámetro de la tubería elegida los cuales fueron determinados a partir de datos en la literatura [1] y [2], 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

De esta manera, se obtuvieron los siguientes valores:

Tabla 2. Número de Reynolds

hL experimental:

En la realización de este cálculo (pérdidas primarias experimentales) se debe tener en cuenta el tipo de flujo, sin embargo al calcular el número de Reynolds (tabla 2), es posible clasificar a los flujos como turbulentos:

Para determinar el delta de presión , se halla la diferencia entre las alturas tomadas con el manómetro de mercurio (tabla 1), y se realiza la respectiva conversión:

Factor de fricción teórico (fteor):

Este cálculo se realiza específicamente para pérdidas dinámicas, haciendo uso de los datos hallados en la Tabla 2.

hL teórico:

Para la determinación de este valor, se tiene en cuenta el tipo de pérdida que se esté analizando, en el caso de las perdidas por accesorios, haciendo uso de los datos encontrados en la literatura [3], el cálculo viene dado por la expresión:

Para el caso de las pérdidas dinámicas, los valores se determinan de la siguiente manera

Por lo tanto tenemos los siguientes resultados:

Tabla 3. Pérdidas de carga por accesorios y dinámicas

Tabla 4. Porcentajes de error (pérdidas de carga)

ANÁLISIS DE DATOS

En primera instancia, a partir de la Tabla 2 se puede observar la velocidad y el número de Reynolds para cada situación que se llevó a cabo en la practica y en la que se utilizó el mismo caudal para todos los casos, con base a esto se obtiene que todos los flujos pertenecen a régimen turbulento pues Re>4000, siendo el de la tubería de PVC (1/2") mayor y el Re de la tubería de hierro galvanizado (3/4") el menor, esto se explica a causa de los diámetros y por consiguiente el área que al ser mayor, se produce una reducción de la velocidad y de la misma manera en el numero de Reynolds.  Teniendo estos datos, proseguimos a calcular los datos consignados en la Tabla 3, con el fin de encontrar la pérdida de carga (experimental y teórica) por accesorios para los tres primeros casos y Dinámica para los últimos tres, haciendo uso de los parámetros ya estipulados en la literatura; como rugosidad de la tubería siendo mayor para la de hierro, factor de fricción, constante K y entre otros parámetros ya mencionados. Al comparar los valores de hL (pérdidas de carga) que se obtuvo en la practica a partir del manómetro de mercurio y el valor experimenta , se obtienen porcentajes de error muy altos( tabla 4) lo que puede ser atribuido a distintas causas, como errores en la medición y precisión al tomar un valor de la escala la cual no es clara para cifras decimales así como la determinación del caudal, sin embargo la causa que posee mayor relevancia se pudo deber al tiempo de exposición de las tuberías, equipos y accesorios utilizados en la practica, que probablemente se encontraban oxidadas frente a ataques corrosivos del medio, lo que provoca fisuras y modificaciones en el material haciendo que el comportamiento sea diferente al que se espera. La pérdida de carga por accesorios fue mayor para la válvula de globo, pues el movimiento del agua para atravesarla es complejo y requiere de cambios de dirección del fluido lo que genera una mayor pérdida, mientras que para la válvula de compuerta el funcionamiento es simple y el agua fluye a través de esta sin dificultad , en el caso de las pérdidas dinámicas resulta mayor para la tubería con menor diámetro y por lo tanto más turbulenta; tubería de hierro galvanizado (1/2").

El manómetro digital no fue tomado en cuenta para realizar la dicha comparación, ya que los valores del  diferencial de presión que se obtuvieron distan mucho de los valores a partir del manómetro de mercurio, ademas de que al momento de realizar la medición, no logró estabilizar un valor fijo por lo cual se tomaron datos aproximados de lo que se consideró la presión alta y baja en cada una de las situaciones.

CONCLUSIONES

• Todos los flujos resultaron de régimen turbulento para los diferentes casos efectuados.
• Las perdidas de carga experimentales obtenidas en la práctica tanto por accesorios como dinámicas poseen porcentajes de desviación altos frente a los datos teóricos posiblemente por las condiciones y estado de los instrumentos y las tuberías.
• La perdida por accesorio mayor resultó darse por la válvula de globo, mientras que la mas baja fue la de válvula de compuerta, siendo así a causa del movimiento y el flujo que experimenta del agua mientras atraviesa las mencionadas válvulas.
• La tubería de hierro galvanizado (1/2") presento mayor perdida de carga dinámica, mientras que en la tubería de hierro (3/4") fue menor, debido a la diferencia de velocidades del fluido en cada uno de los casos, siendo mayor para la de hierro (1/2") pues su diámetro y por la tanto área es menor, y siguiendo el principio de continuidad, estas magnitudes son indirectamente proporcionales.
• El manómetro digital no presento valores aceptables para la practica, por lo cual solo se tuvo en cuenta las mediciones realizadas con el manómetro de mercurio.

BIBLIOGRAFIA

[1] Haro Consultores. Válvulas y Termoplásticos industriales, S.A de C.V. Recuperado de http://www.tuberiadepvc.mx

[2] COEL Material y Equipo eléctrico. Tuberias, conexiones y accesorios. Recuperado de http://www.coeliluminacion.com.mx

[3] Flujo incomprensible. Recuperado de https://ftransp.files.wordpress.com