Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Práctica de Laboratorio 2 FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS


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1 Universidad de Navarra Escuela Superior de Ingenieros Nafarroako Unibertsitatea Ingeniarien Goi Mailako Eskola Laboratorio de Mecánica de Fluidos Práctica de Laboratorio FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS CAMPUS TECNOLÓGICO DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA. NAFARROAKO UNIBERTSITATEKO CAMPUS TEKNOLOGIKOA Paseo de Manuel Lardizábal Donostia-San Sebastián. Tel.: Fax:

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3 Alejandro Rivas & Gorka Sánchez Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra (TECNUN) FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS 1 DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA El objeto de esta práctica es analizar los flujos en una tobera convergente, en una tubería y en el ensanchamiento brusco que une a ambos. En la tobera se obtendrán las distribuciones de presión a lo largo de su eje y se compararán con las obtenidas a partir de la ecuación de Bernoulli suponiendo despreciables las pérdidas de carga. En la tubería se medirán las presiones en diferentes secciones a lo largo de su longitud. Con estas mediciones de presión se podrá establecer a partir de qué sección aguas abajo de la entrada de la tubería el flujo se puede considerar completamente desarrollado. En la zona donde el flujo en la tubería está completamente desarrollado se podrá obtener la pérdida de carga a partir de las presiones medidas y también el factor de fricción de Darcy con la medida del caudal. El valor del factor de Darcy obtenido en el banco de ensayos se podrá comparar con el proporcionado por el ábaco de Moody o ecuaciones equivalentes. Con las medidas de presión en la tubería y caudal, se podrá obtener el valor del coeficiente de pérdidas adimensional del flujo en el ensanchamiento brusco que existe en la zona comprendida desde la entrada de la tubería hasta la sección de ésta donde comienza el flujo completamente desarrollado. Dicho valor se podrá comparar con el proporcionado por la bibliografía. En esta práctica se van a realizar medidas de la presión. Para ello en la tobera se tiene un tubo o sonda piezométrica que puede posicionarse mediante un tornillo micrométrico a lo largo del eje de la tobera y así obtener una medida de la presión en diferentes secciones de ésta. En la tubería existen aberturas piezométricas a lo largo de toda su longitud. Tanto la sonda como las aberturas piezométricas de la tubería se hallan conectadas a un manómetro Agua-Aire cuyo esquema verse en la Figura 1. Tal y como se observa en dicha figura, las presiones que se están midiendo son de vacío (manométricas negativas). Dicho manómetro tiene una resolución de milímetros de columna de agua y la medida de la presión se obtiene leyendo en una regla la diferencia de alturas de las columnas de agua. Figura 1. Manómetro Agua-Aire para medir presiones de vacio FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-1

4 Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra FUNDAMENTOS.1 Flujo en una tobera convergente Una tobera convergente es un conducto recto en el cuál la sección va disminuyendo gradualmente hasta alcanzar un área mínima que se denomina garganta. Si se supone que las condiciones del flujo en la tobera son las siguientes: El flujo es incompresible, considerándose constante la densidad del fluido. En el caso de gases esto equivale a suponer que el flujo tiene un bajo número de Mach (velocidades inferiores a la velocidad del sonido) [1]. La capa límite [1] no se ha desprendido y por tanto suponemos tienen un espesor despreciable frente al radio de la sección. Además la tobera no tiene una longitud suficiente para que la capa límite crezca hasta ocupar todo el conducto. Además los efectos de la viscosidad encuentran confinados en la capa límite. Es posible aplicar la ecuación de Bernoulli [1] entre dos secciones de la tobera: p Y vy pt vt p0 + αy + hl,0y = + αt + hl,0t γ g γ g = Ec. 1 γ donde p 0 es la presión de estancamiento máxima, es decir la presión a la que se encuentra el aire en reposo en la atmósfera desde donde entra a la tobera. h L,0Y y h L,0T son las pérdidas de carga que sufre el aire desde que se pone en movimiento hasta que alcanza la sección en cuestión α es el coeficiente de corrección de la energía cinética. Figura. Flujo aproximado en dos secciones de una tobera convergente Si se conoce la presión en un punto de la tobera, por ejemplo en la garganta (T), será posible, conociendo la presión de estancamiento p 0, determinar la velocidad media en dicha sección y el caudal volumétrico Q que circula por la tobera. Por la Ec. 1 se podrá escribir suponiendo α T igual a la unidad: Despejando v T : pt vt p0 + + hl,0t = Ec. γ g γ vt g h0t g hl, 0T = Ec. 3 -FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS

5 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. Siendo h 0T =(p 0 -p T )/γ la diferencia entre la presión de estancamiento y la existente en la garganta de la tobera expresada en m.c.aire. La velocidad que se alcanzaría en la tobera si no existieran pérdidas de carga sería: Ec. 4 vt = g h0t Introduciendo el coeficiente de velocidad C v =v T /v T se podrá escribir: vt CV g h0t = Ec. 5 Y el caudal volumétrico Q calculado a partir de esta velocidad será: Q AT vt = AT CV g h0t = Ec. 6 Una vez que se conoce el caudal Q, la velocidad en una sección de la tobera distinta de la referencia se podrá expresar como: Q A v Y = Ec. 7 Y Por la Ec. 1 si se desprecian las pérdidas de carga y se supone que α es la unidad se podrá escribir: py vy p0 + = Ec. 8 γ g γ Despejando la presión p Y y sustituyendo la Ec. 7 se tendrá la distribución de presiones en la tobera suponiendo las pérdidas de carga despreciables: py γ = p0 1 γ g Q A Y Ec. 9 FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-3

6 Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra. Pérdida de carga en un ensanchamiento brusco Sea un conducto de área A 1 por el que circula en régimen estacionario, un fluido que se considerará incompresible. El conducto se ensancha de manera brusca hasta un área A >A 1. En el ensanchamiento, tal y como muestra la Figura 3, el flujo se vuelve tridimensional y complejo, existiendo justo después del ensanchamiento dos zonas o burbujas de recirculación, una en sentido horario y en otra en sentido antihorario. Si aguas abajo el conducto permanece recto y su sección A constante, el flujo regresa a la condición de totalmente desarrollado en una longitud L D, denominada Longitud de Desarrollo. Figura 3 Flujo en un ensanchamiento brusco Tomando un volumen de control como el de la Figura 3 las ecuaciones integrales de continuidad y energía quedan como: v 1 A1 = v A Ec. 10 p γ 1 v1 p + α1 = + α g γ v g + h L,1 Ec. 11 Despejando la pérdida de carga h L,1 y suponiendo los coeficientes de corrección iguales a la unidad se obtiene: 1 1 ( p p ) + ( v v ) h L,1 = 1 1 Ec. 1 γ g Es posible definir un parámetro adimensional K 1, denominado coeficiente de pérdidas, de la forma [1] : hl,1 K1 = Ec. 13 v g 1 El coeficiente de pérdidas es un parámetro adimensional que en principio dependerá de la relación de áreas, del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la tubería. 4-FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS

7 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. Para obtener un valor de K 1, en el volumen de control de la Figura 3 se plantea la ecuación de la cantidad de movimiento en la dirección del eje del conducto despreciando las fuerzas sobre las paredes y suponiendo que en la sección 1 el valor de la presión es uniforme: ( p p ) 1 1 A1 = v v1 Ec. 14 γ g A De las Ec. 10, Ec. 11 y Ec. 14 es posible despejar la pérdida de energía como: h A1 v1 1 L, 1 = A Ec. 15 g De la Ec. 15 es posible obtener la relación entre el coeficiente de pérdidas K 1 y la relación de áreas: A1 K 1 = 1- A Ec. 16 Análogamente se puede definir otro coeficiente de pérdidas del ensanchamiento brusco, K, referido a la altura de energía cinética en el conducto de mayor sección..3 Pérdidas de carga en una tubería Si por un conducto de sección circular de diámetro D y longitud L, circula un fluido en régimen estacionario, incompresible y completamente desarrollado, la pérdida de energía mecánica es igual a la diferencia de alturas piezométricas entre las secciones extremas del conducto: h f = z 1 z 1 + γ ( p p ) 1 Ec. 17 Por otro lado la pérdida de energía mecánica viene dada por la fórmula de Darcy- Weisbach. L v h f = f Ec. 18 D g siendo f el coeficiente de fricción de Darcy que depende del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la tubería: ( Re, ε D) f = f Ec. 19 La relación indicada en la Ec. 19 se ha obtenido por medio de numerosos trabajos teórico-experimentales siendo el más conocido el ábaco construido por L. F. Moody a partir de fórmulas obtenidas por Prandtl, Von Karman y Colebrook [1]. Si la tubería es lisa la rugosidad relativa no influye en el valor de f, siendo función únicamente del número de Reynolds por lo que: ( Re) f = f Ec. 0 Una expresión de f para régimen turbulento en tuberías lisas fue dada por Prandtl en FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-5

8 Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra 0.5 f = log Re f 0.4 Ec. 1 Aunque existen otras expresiones más sencillas entre las que se encuentra la propuesta por Blasius, válida para Re entre 4000 y f = Re Ec. 6-FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS

9 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. Figura 4. Banco de Ensayo FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-7

10 Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra 3 DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE ENSAYO En la Figura 4 puede verse un esquema del banco de la práctica cuyos principales elementos son: {1} Tubo piezométrico móvil. El tubo avanza, gracias a un tornillo, dos milímetros al girar la rueda una vuelta completa. Cuando el tornillo se encuentra en la posición cero, la abertura piezométrica del tubo está situada en la entrada de la tobera. {} Toma de presión (x=5.5 cm) {3} Toma de presión (x=10 cm.) {4} Toma de presión (x=0 cm.) {5} Toma de presión (x=30 cm.) {6} Toma de presión (x=50 cm.) {7} Toma de presión (x=70 cm.) {8} Toma de presión (x=90 cm.) {9} Toma de presión (x=110 cm.) {10} Toma de presión (x=10 cm.) {11} Toma de presión (x=310 cm.) {1} Toma de presión (x=410 cm.) {13} Toma de presión (x=510 cm.) {14} Toma de presión (x=610 cm.) {15} Toma de presión estática para el tubo de Pitot. {16} Toma de presión en el cono de entrada del ventilador. {17} Toma de presión en la tubería de impulsión del ventilador. {18} Tobera convergente (Figura 5) de coeficiente de velocidad C v = Los diámetros (z) están dados en función de la distancia a la entrada de la tobera (y) según la siguiente tabla: y (cm) z (cm) Figura 5. Tobera convergente Tabla 1. Diámetros de la tobera convergente {19} Tubería de aspiración lisa de diámetro interior de 7.85 cm. 8-FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS

11 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. {0} Tubo de Pitot. Dotado de un micrómetro para desplazarlo a lo largo de un diámetro y así medir en diferentes puntos la presión de estancamiento. {1} Cono de entrada al ventilador. Figura 6. Tubo de Pitot con micrómetro {} Ventilador centrífugo de 8 álabes rectos y rodete de 30 mm de diámetro exterior, 151 mm de diámetro interior y 40 mm de anchura, accionado por un motor de dos velocidades de giro (1500 y 3000 rpm). {3} Tubería de impulsión de 11.8 cm de diámetro interior. {4} Compuerta reguladora del caudal. En esta compuerta se establece el área de salida como un determinado porcentaje del área de la tubería de impulsión. FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-9

12 Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra 4 PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA 4.1 Medidas de presión en la garganta de la tobera y en la tubería de aspiración 1. Se introducirá el tubo piezométrico {1} totalmente en la tobera, de forma que la abertura piezométrica del tubo quede situada en la garganta de la tobera (y=1.7 cm). La toma de presión del tubo piezométrico {1} se conectará al manómetro de Aire-Agua.. Las tomas de la {} a la {14}, se conectarán al manómetro. 3. Se seleccionará una abertura de la compuerta {4} situada en la salida de la impulsión. Comenzando por una abertura del 100%. 4. Se pondrá en marcha el ventilador a una determinada velocidad (1500 rpm ó 3000 rpm). 5. Se apuntarán en el cuaderno de prácticas las medidas de presiones leídas en el manómetro. Los pasos del 3 al 5 se repetirán para las dos velocidades del ventilador y para cada una de ellas se establecerán cinco aberturas de la compuerta (100%, 80%, 60%, 40% y 0%). 4. Medidas de presión en la tobera convergente 1. Se introducirá el tubo piezométrico {1} de forma que la abertura piezométrica del tubo quede situada en una sección a una determinada distancia de la tobera. La toma de presión del tubo piezométrico {1} se conectará al manómetro de Aire- Agua.. Se seleccionará una abertura de la compuerta situada en la salida de la impulsión {4}. Comenzando por una abertura del 100%. 3. Se pondrá en marcha el ventilador a una determinada velocidad (1500 rpm ó 3000 rpm). 4. Se apuntarán en el cuaderno de prácticas la medida de presión leida en el manómetro y correspondiente a la toma del tubo piezométrico {1}. Los pasos del 1 al 4 se repetirán para las dos velocidades del ventilador y para cada una de ellas se establecerán cinco aberturas de la compuerta (100%, 80%, 60%, 40% y 0%). Para diferentes caudales (velocidad de giro y abertura de la compuerta), se medirán la presión en las secciones de la tobera correspondientes a y=1.7, 6.7, 4.7,.7 y 0.7 cm. 10-FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS

13 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. 5 TRABAJO DE GABINETE Para cada velocidad de giro del ventilador: 1. Confeccionar una tabla donde aparezca: Abertura de la compuerta. Presión medida en la garganta de la tobera. Caudal circulante, dado por la Ec. 6 donde la presión de estancamiento es la presión atmosférica del laboratorio en el momento de hacer las medidas.. Gráfica Abertura (Abscisas)-Caudal (Ordenadas). Para cada par de valores de la velocidad de giro del ventilador y de la abertura de la compuerta, es decir para un determinado caudal: 3. Confeccionar una tabla donde aparezca. Distancia y. Diámetro z. Presión medida en la sección de la tobera de coordenadas (y,z). Presión en la sección de la tobera de coordenadas (y,z) obtenida de la Ec. 9. Error porcentual entre las dos presiones. 4. Gráfica con doble eje de ordenadas y/y max (Abscisas)-z/z max (Ordenadas 1), p Y medida y p Y obtenida en la Ec. 9 (Ordenadas ). 5. Confeccionar una tabla donde aparezca: Distancia x =x-5.08 cm de la toma de presión. Medida de la presión en la toma. 6. Gráfica x (Abscisas)-presión en la tubería (Ordenadas). Con todas las medidas de la práctica: 7. Confeccionar una tabla donde aparezca: Caudal Longitud de desarrollo del flujo en el ensanchamiento brusco. Pérdida de carga en el ensanchamiento brusco. Número de Reynolds en la tubería de aspiración. Relación Longitud de desarrollo(*)-diámetro de la tubería de aspiración (L D /D). Coeficiente K 1 en el ensanchamiento brusco. Coeficiente K 1 dado por la ecuación Ec. 16. Error porcentual entre los dos coeficientes de pérdidas. Factor de fricción en la tubería de aspiración. FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-11

14 Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra Factor de fricción calculado por la Ec. 1. Error porcentual entre los valores del coeficiente de fricción. 8. Gráfica Número de Reynolds (Abscisas)-K 1 experimental y calculado por la Ec. 16 (Ordenadas). 9. Gráfica Número de Reynolds (Abscisas)-f experimental y calculado por la Ec. (Ordenadas). 10. Gráfica Número de Reynolds (Abscisas)- L D /D (Ordenadas). (*) El flujo de un fluido a través de un conducto recto de sección constante puede alcanzar la condición de completamente desarrollado. En el caso de conductos circulares, esta condición implica que existe una única componente de la velocidad en la dirección del eje del conducto y que no depende de la coordenada en esa dirección. Además como consecuencia del perfil de velocidades descrito, el campo de presiones presenta una variación lineal con la coordenada según la dirección del eje del conducto. 1-FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS

15 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. 6 BIBLIOGRAFÍA [1] Mecánica de Fluidos. Frank M. White. Ed. McGraw-Hill Páginas de la 555 a la 556, de la 49 a la 433, de la 190 a la 03, de la 381 a la 388 y de la 347 a la 368. FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-13

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17 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-15

18 Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra 16-FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS

19 Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Flujo de Aire a través de Toberas y Tuberías. FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE TUBERÍAS Y TOBERAS-17

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