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Actividad 10 - Lab Mec de Fluidos - Gera Torres (6)

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
 FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS
ACTIVIDAD 10 – TIEMPO TEÓRICO DE VACIADO
 DÍA: MARTES HORA: V5 
FECHA:
 SAN NICOLÁS DE LOS GARZA, N.L. A 12 DE NOVIEMBRE DE 2022
INTRODUCCIÓN
Obtener resultados sobre medidas, ya sea en hidrografía, en hidráulica o en los procesos industriales es de vital importancia junto con la presión, el volumen, la velocidad y caudal.
Es por ello que las aplicaciones son frecuentes para mediciones de los niveles de estanques y recipientes de todo tipo en canales, pozos o vertederos, por mencionar algunos ejemplos.
Estas medidas sirven para determinar el contenido de los tanques para llegar a accionar dispositivos de alarma y seguridad en los recipientes a presión, para el accionamiento de válvulas y vertederos en la regulación de las centrales hidroeléctricas, para la determinación de la altura de la lámina en vertederos de medidas.
En la industria química la medida de nivel se requiere para determinar la cantidad exacta de líquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla; todo esto para finalmente conocer las medidas del nivel de fluido en los procesos de destilación.
Es por ello que los avances que han ido sucediendo a lo largo del tiempo han ido simplificando todas estas labores para hacerlas más sencillas para la sociedad con el fin de obtener resultados mucho mejores y más precisos que antes.
Los aparatos y las herramientas que se utilizan para medir ciertas características de alguna propiedad en específico han ido cambiando, ya sea implementándoles algún aditamento práctico o incluso fabricar alguno completamente nuevo, conservando quizás alguna característica que ya tenía pero con ciertas mejoras.
De acuerdo con afirmaciones dadas en el pasado, la presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión y cuando menos sea la superficie para una fuerza dada, menor será la presión resultante.
MARCO TEÓRICO
En atención a los componentes de la Ecuación de Energía, se tiene que la única energía que se puede “perder” por efecto del movimiento del fluido a lo largo de una conducción es la asociada a la Altura o Carga de Presión, pues la elevación (z) es un parámetro que depende de las características topográficas de dicha conducción y la carga de velocidad (V2/2g) depende únicamente de la velocidad del flujo y, por supuesto de las geometría de la conducción en cuestión.
De esta forma se tiene que la Altura o Energía Total irá disminuyendo en la dirección del movimiento en función de las Pérdidas por Fricción o, dicho de otra forma, debido a la resistencia que la superficie de la conducción en contacto con el fluido, ofrecerá al movimiento de éste a través de ella.
PÉRDIDAS POR FRICCIÓN
Hay varias ecuaciones, teóricas y empíricas, que nos permiten estimar las Pérdidas por Fricción asociadas con el flujo a través de determinada sección de una conducción. Entre las de uso más común de seguro encontraremos las siguientes:
· Ecuación de Manning. Es la ecuación utilizada por excelencia en el estudio del Flujo a Superficie Libre (aquél en donde el flujo está abierto a la atmósfera, como en el caso de canales y ríos).
· Ecuación de Darcy-Weisbach. Es una ecuación teórica utilizada para el cálculo de Pérdidas por Fricción en sistemas operando a Presión. Aun cuando es una ecuación completamente desarrollada en fundamentos de la física clásica, haciéndola aplicable para prácticamente cualquier tipo de fluido y en diversas aplicaciones, su uso no se ha extendido (al menos en la parte práctica) debido a lo complejo que es el cálculo del Factor de Fricción (la expresión de este factor es una ecuación implícita), siendo necesario generalmente la realización de iteraciones o el uso de métodos numéricos para lograr la resolución.
Vale decir que, diversos investigadores (Swamee, por ejemplo) en su momento realizaron propuestas exitosas para definir expresiones explícitas para el cálculo del factor de fricción en la Ecuación de Darcy-Weisbach. Asimismo, en los tiempos actuales, con el desarrollo de los computadores y los programas relacionados, no resulta nada engorroso utilizar esta ecuación para el cálculo de las Pérdidas por Fricción en conducciones.
· Ecuación de Hazen-Williams. Esta es una ecuación empírica de extendido uso en el Campo de la Ingeniería Civil para el cálculo de las Pérdidas por Fricción en Conducciones a presión. Surge, a principios del siglo XX, como una tendencia de, precisamente, solventar lo complejo que resultaba el cálculo de estas pérdidas con la Ecuación de Darcy-Weisbach referida anteriormente.
EVALUACIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR FRICCIÓN UTILIZANDO LA ECUACIÓN DE HAZEN-WILLIAMS
Esta ecuación es expresada de la siguiente forma en unidades métricas:
Donde:
	V:
	Es la velocidad media en la sección del flujo [m/s].
	C:
	Coeficiente de Fricción de Hazen-Williams.
	R:
	Radio hidráulico (Área mojada/Perímetro mojado) [m].
	S:
	Pendiente de fricción o Pérdida de Energía por unidad de longitud de conducción [m/m].
Quizá, la expresión anterior no es algo familiar así que, si se considera que la aplicación de esta ecuación es para el cálculo de las Pérdidas por Fricción en tuberías completamente llenas de agua (a presión) y utilizando la ecuación de continuidad para expresarla en función del caudal conducido (Q) así como el diámetro (D) y Longitud (L) de la tubería, tendremos la expresión más conocida para las pérdidas por fricción totales (hf):
VALORES DEL COEFICIENTE DE FRICCIÓN DE HAZEN-WILLIAMS EN FUNCIÓN DEL MATERIAL Y REVESTIMIENTO INTERNO DE LA TUBERÍA O CONDUCCIÓN
	
Material
	Coeficiente de Fricción de Hazen-Williams
C
	Hierro Fundido Sin recubrimiento Interno
	130
	Acero Sin Recubrimiento Interno
	120
	PVC, PEAD
	150
	Acero Galvanizado
	120
	Concreto (Superficie Rugosa)
	120
	Concreto Centrifugado
	130
· Sólo puede ser utilizada para el cálculo de las Pérdidas por Fricción en sistemas que conducen agua a temperaturas “normales” (entre 18°C y 30°C, por ejemplo) y bajo condiciones de flujo turbulento (El caso típico en las aplicaciones para sistemas de Abastecimiento de Agua).
· No es aplicable para Tuberías extremadamente rugosas, es decir, no debería utilizarse para coeficientes de fricción muy bajos (menos a 60).
· No debería utilizarse para diámetros inferiores a los 50 mm (2”), aun cuando su uso es aceptado para el diseño de Instalaciones Sanitarias en edificaciones, donde predominan diámetros inferiores a dicho valor.
APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN EL CÁLCULO HIDRÁULICO DE TUBERÍAS
La utilización del principio de Energía, conjuntamente con cualquiera de las Ecuaciones para el Cálculo de las Pérdidas por Fricción es útil en el Diseño de Sistemas de Abastecimiento de Agua para:
· Determinar el Diámetro de Tuberías en Sistemas abastecidos por Gravedad. Este es el caso del diseño de aducciones entre una fuente de agua y un centro poblado. Generalmente conoceremos el caudal a conducir (dependiente de la demanda) y el desnivel (Diferencia de cota) y Distancia existente entre el punto de inicio y el punto final de la conducción, lo cual depende enteramente de las condiciones topográficas. Estableciendo el material para la tubería (lo cual depende de aspectos diferentes al hidráulico), podremos conocer el coeficiente de fricción, con lo cual la única incógnita es el diámetro. El despeje de la Ecuación de Energía, incluyendo el término de Pérdidas por Fricción, nos llevará al diámetro requerido para conducir el caudal requerido.
· Determinar el Caudal conducido en un sistema, en el que se conoce la geometría. Es el caso en el que deseamos establecer cuál es la capacidad de una conducción de la que se conocen todas las características geométricas (diámetro, longitud, elevaciones) y físicas (material).
· Determinar la Carga de Presión disponibleen algún punto del Sistema de Abastecimiento de Agua. En Redes de distribución de agua, es necesario establecer cuál es la carga de Presión en puntos específicos de ella a fin de establecer si se satisfacen los requerimientos normativos de la empresa operadora.
En el siguiente ejemplo se emplea la aplicación de los dos primeros casos en la determinación del diámetro de una Aducción (Conducción expresa entre dos puntos):
Se presenta el esquema de una tubería simple entre dos estanques. Determinar el Diámetro Nominal de la tubería de Acero, sin recubrimiento interno, necesaria para conducir un caudal de diseño de 455 l/s.
Cálculo del Diámetro requerido:
En problemas como este, plantearemos la Ecuación de Energía, despreciando el término de Carga de Velocidad, entre el punto de inicio de la Tubería, a la salida del Tanque 1 (el de mayor diámetro en la figura), y el Punto de llegada, a la entrada al tanque 2. Introduciremos la ecuación de Pérdidas por Fricción de Hazen-Williams:
Notemos que, para el planteamiento, no es necesario conocer la cota de la tubería, ni la altura de agua sobre ella, en su encuentro con los estanques pues el balance se realiza en función de la Altura Piezométrica en cada uno de ellos, correspondiente a la elevación del agua suministrada como dato (Hest1 y Hest2).
Al despejar el diámetro de esta ecuación obtendremos D= 0,426 m.
TOMA DE DATOS Y OPERACIONES
	H 
cm
	t real
s
	t teórico
s
	45
	90
	39.03
	35
	78
	30.35
	25
	63
	21.68
CONCLUSIÓN
Tener el debido conocimiento sobre el correcto uso y cómo reaccionan cada uno de los distintos tipos de instrumentos que se utilizan para hacer la medición de las diferentes presiones que se puedan llegar a querer saber, ya sea para su uso en la vida diaria como en la industria, tiene su importancia ya que podría significar la diferencia entre conocer el resultado correcto y por lo tanto obtener un dato erróneo en la realización de la tarea o trabajo en la industria.
Por lo cual aparte de que algunas empresas dan la debida capacitación a sus empleados sobre la utilización de sus diversos instrumentos o maquinaria, también tiene su debida relevancia inspeccionar y revisar todo antes y después de realizar la tarea requerida, con el fin de detectar la posible falta de algún material o aditamento del mismo instrumento y evitar errores en las mediciones o hasta posibles riesgos dependiendo del equipo utilizado.
Es esencial realizar un efectivo control del mantenimiento. Como con cada tipo de instrumentos, se deben tener reglas estandarizadas que regulen la compra, capacitación del personal, almacenaje, mantenimiento e inspección periódica.
FUENTES DE INFORMACIÓN
· http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/vaciado/vaciado.htm
· http://ingenieriacivil.tutorialesaldia.com/principios-de-la-hidraulica-que-necesitas-conocer-las-perdidas-de-energia-–-parte-i-perdidas-por-friccion/

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