PÉRDIDAS POR FRICCIÓN PRIMARIAS Y SECUNDARIAS

MARCO TEÓRICO

Las pérdidas por fricción se presentan porque al estar el fluido en movimiento habrá una resistencia que se opone a dicho movimiento (fricción al fluir), convirtiéndose parte de la energía del sistema en energía térmica (calor), que se disipa a través de las paredes de la tubería por la que circula el fluido. Las válvulas y accesorios se encargan de controlar la dirección o el flujo volumétrico del fluido generando turbulencia local en el fluido, esto ocasiona una pérdida de energía que se transforma en calor. Estas últimas pérdidas son consideradas perdidas menores ya que en un sistema grande las pérdidas por fricción en las tuberías son mayores en comparación a la de las válvulas y accesorios.

Las pérdidas y ganancias de energía en un sistema se contabilizan en términos de energía por unidad de peso del fluido que circula por él. Esto también se conoce como carga (h):


La magnitud de las pérdidas de energía que produce la fricción del fluido, las válvulas y accesorios, es directamente proporcional a la carga de velocidad del fluido. Esto se expresa en forma matemática así:

El término K es el coeficiente de resistencia.

Ecuación general de  energía:

La ecuación general de la energía es una extensión de la ecuación de Bernoulli, lo que permite resolver problemas es los que hay pérdidas y ganancias de energía.
Para un sistema, la expresión del principio de conservación de la energía es:

Es esencial que la ecuación general de la energía se escriba en la dirección del flujo.

El comportamiento de un fluido, en lo que se refiere a las pérdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento. Un medio para predecir este comportamiento en el flujo es con el manejo del número adimensional Reynolds, demostrado por Osborne Reynolds. Esta ecuación de define como:

Este número relaciona las fuerzas de inercia sobre un elemento de fluido a la fuerza viscosa.
Para aplicaciones prácticas se tiene que los flujos con Re <2000, se encuentran en estado laminar, y los Re>4000, están en régimen turbulento. Los 2000<Re<4000, están en la región de transición o región crítica. Por lo general si un sistema llegase a estar en esta región, se debe jugar con las variables de Re, para acondicionarlo en un estado netamente conocido, como lo son el laminar o el turbulento.

Teniendo en cuenta la ecuación general de la energía, es de resaltar que el término hL es la pérdida de energía en el sistema. De forma matemática esta se expresa a través de la ecuación de Darcy:


Este factor de fricción, f, se evalúa dependiendo del régimen en el que se encuentre el fluido. Una vez se tenga certeza del régimen en el que se está, se aplica alguna de estas expresiones:

Los términos , hacen referencia a la rugosidad relativa, donde es la rugosidad promedio de la pared del tubo. La ecuación para el flujo laminar se determina a partir de la ecuación de Hagen-Poiseuille (ciertas simplificaciones lo llevan a la ecuación de f para el flujo laminar). La ecuación para el flujo turbulento fue desarrollada por Swamee-Jain. 

Cabe resaltar que otro de los métodos indispensables para evaluar el factor de fricción es el Diagrama de Moody, el cual muestra la gráfica del factor de fricción versus el Re, con una serie de curvas paramétricas relacionadas con la rugosidad relativa.

Es importante resaltar que las pérdidas por fricción también se dan por los accesorios que posean las tuberías y del factor de cómo estas tuberías estén ubicadas como la variable de la instalación de la misma con su propósito para el cual va a ser usada, para esto se aplica la relación siguiente:

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para esta práctica de laboratorio se necesitó de un equipo especial con varios accesorios y tuberías por donde se podía determinar el comportamiento de los fluidos, en este caso el agua. Para esta práctica en específico se usó este banco de accesorios de los cuales se usaron unos cuantos los cuales fueron:



Ilustración 1: modulo para medir pérdidas primarias y secundarias




El procedimiento que se llevó a cabo fue el de dejar pasar un fluido con un determinado caudal midiendo la presión cada vez que el fluido en este caso el agua pasará por cada de uno de estos accesorios mencionados anteriormente para así determinar sus pérdidas de presión por accesorios y tuberías de diferente material y diámetro.

DATOS

CÁLCULOS

RESULTADOS

ANÁLISIS DE DATOS

El valor del coeficiente de fricción es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad independiente de un material. Depende además de factores como la temperatura, el acabado superficial de los cuerpos en contacto, la velocidad relativa entre éstas, la fuerza normal, entre otros. Los materiales (tuberías) tienen propiedades tales como la rugosidad, la cual es importante en la determinación de las pérdidas por fricción.

En la gráfica uno (1) se observa las pérdidas que se generan en diferentes materiales (acero, cobre PVC) y también en diferentes diámetros. Se puede observar que a menor diámetro va a existir más pérdida de carga por fricción, esto se debe a que hay una mayor cantidad de fluido en contacto con la tubería, esta relación se explica en la ecuación de Darcy, a mayor diámetro mayor velocidad lo que influye en el flujo del fluido; la rugosidad es a la vez una propiedad que se debe tener en cuenta en el cálculo de pérdidas primarias, la rugosidad de las paredes de los canales y tuberias es función del material con que están construidos, el acabado de la construcción y el tiempo de uso, a menor rugosidad menores pérdidas primarias o por fricción. Aunque el cobre y el PVC tienen el mismo valor de rugosidad, es el estado de la superficie el que provoca que las pérdidas sean mayores para el cobre.

El factor de fricción depende de la velocidad, el diámetro de tubería, la densidad, la viscosidad y de la rugosidad de la superficie del conducto (el flujo turbulento) la cual depende del tipo de material y del acabado del mismo. Este factor es mayor para flujos turbulentos.

La pérdida de presión se debe a la intervención de las tensiones de corte provocadas por la viscosidad del fluido, la fricción interna entre las capas del fluido y entre el fluido y las paredes del tubo.

Los errores obtenidos para las pérdidas primarias son absurdos. los errores en la toma de medidas por parte de los estudiantes y y mal manejo en la calibración en la calibración del equipo.

Para las perdidas secundarias las cuales dependen del factor K el cual a su vez depende del factor de fricción que se determina según el diámetro de la tubería, y de la longitud equivalente en diámetro de conducto (L/D). En la gráfica dos se puede observar que existe mayor pérdida secundaria para la válvula de globo, y la que menos perdidas representa es la válvula de compuerta completamente abierta.

Los errores obtenidos son demasiado grandes, esto se debe a las condiciones de las a un mal manejo del equipo la calibración del equipo, puede deberse al manejo de cierre/abertura de válvulas lo que nos permitió medir las perdidas reales primarias, mientras que, las perdidas secundarias que no se tuvieron en cuenta como la salida del tanque. También el problema de las mediciones se puede deber a una mala calibración de los equipos de medición.

CONCLUSIONES

El valor del coeficiente de fricción es característico de cada par de materiales en contacto, depende de la velocidad, el diámetro de tubería, la densidad, la viscosidad y de la rugosidad de la superficie del conducto (el flujo turbulento) la cual depende del tipo de material y del acabado del mismo. Este factor es mayor para flujos turbulentos.

La rugosidad de las paredes de los canales y tuberías es función del material con que están construidos, el acabado de la construcción y el tiempo de uso, a menor rugosidad menores pérdidas primarias o por fricción.

La pérdida de presión se debe a la intervención de las tensiones de corte provocadas por la viscosidad del fluido, la fricción interna entre las capas del fluido y entre el fluido y las paredes del tubo.

Las pérdidas ocasionadas por válvulas, depende de su funcionamiento, los cierres bruscos provocan turbulencia, lo cual generara mayores pérdidas energéticas.

BIBLIOGRAFÍA

Escuela de Ingenierías Industriales. Recuperado el 10 de mayo de 2015 de https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2012/389/51453/1/Documento6.pdf

Guías GUNT Hamburgo. Modulo de GUNT 150.01 Friccion de tubo en un flujo laminar y en turbulento http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1/mmcontent/produktbilder/07015001/Datenblatt/07015001%204.pdf

MOTT, Robert L. MECÁNICA DE FLUIDOS. Sexta edición. Pearson education, México, 2006