profesor

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA
AREA DE TERMOFLUIDOS

GUIA DE LABORATORIO
DE MECANICA DE FLUIDOS

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA
EN TUBERIAS Y ACCESORIOS
HIDRAULICOS (C206)

Autores:

Profs. Arturo Velásquez S.
Claudio Velásquez S.

Asignatura

:

Laboratorio General I.

Carrera

:

Ingeniería Civil Mecánica.

Area Académica

:Termofluidos.

STGO. 2006.-

“BALANCE DE MASA Y ENERGIA EN TUBERIAS Y
ACCESORIOS HIDRAULICOS”

1.

TITULO:

2.

OBJETIVO DEL EXPERIMENTO
2.1

2.2

Determinar rugosidades relativas y absolutas en tuberías mediante mediciones
experimentales.

2.3

Encontrar coeficientes singulares de accesorios hidráulicos.

2.4

3.

Familiarizar al estudiante con métodos de medición deflujos de fluidos y pérdidas de
energía hidráulica en tuberías y singularidades.

Con los datos experimentales, comprobar la validez de algunas fórmulas empíricas
asociadas al fenómeno hidráulico.

BASES CONCEPTUALES
3.1

Medición de caudales:
La ecuación de continuidad permite presentar las siguientes fórmulas para cálculo de
flujo de masa (ṁ) y caudal volumétrico (Q).

⎛∂
⎞
= 0⎟
⎝∂t
⎠

a) Flujo permanente ⎜

&
m = ρ VA

Líquidos:

Q = VA

Q=

∀
t

( ρ variable )

[1]

( ρ constante )

Gases:

[2]

( ∀ = volumen, t = tiempo )

[3]

⎛∂
⎞
≠ 0⎟
⎝ ∂t
⎠

b) Flujo impermanente ⎜

Gases:

Δm
&
&
mi = me ±
Δt

( ρ ≠ cte )

[4]

Líquidos:

Q i = Q e ± ΔQ

( ρ = cte )

[5]

1

donde:

&
m = Flujo másico [kgm/s].
Q
ρ
VA
Subíndice “i”

=
=
=
=
=

Caudal volumétrico [m3/s].
Densidad media del fluido [kgm/m3].
Velocidad media del flujo en el área A [m/s].
Area de flujo [m2].
Ingreso al ∀.C.

Subíndice “e” = Egreso del ∀.C.

±

Δm
= Rapidez de almacenamiento de masa dentro del ∀.C.
Δt

±ΔQ = Rapidez de acumulación de volumen dentro del ∀.C.
3.1.1 Métodos de medición de caudales másicos yvolumétricos.
El objetivo de esta parte es encontrar un elemento (instrumento) que permita
medir las variables independientes de las relaciones [1], [2], [3] y [4].
En conductos cerrados se pueden usar los siguientes elementos:
a) Medición directa de la velocidad mediante:
-

Tubos de Pitot.
Molinetes (anemómetros mecánicos).
Hilo caliente.
Otros.

b) Medición directa del flujo a travésde instrumentos tales como:
-

Tubo Venturi.
Boquilla o tobera.
Placa orificio.
Flujómetro magnético.
Rotámetro.
Volumen por unidad de tiempo (aforo).
Otros.

c) En conductos abiertos (canales) se usan:
-

Tubo de Pitot
Molinete
Canal Venturi
Vertedero
Trazadores radiactivos
Otros

Nota: En terreno se puede usar cualquier dispositivo o elemento que pueda
ser calibradoconfiablemente.
2

d) Medición del perfil de velocidades
El instrumento que se usa en este laboratorio que permite calcular el
caudal volumétrico de un flujo de gas, considerado como incompresible
(bajas presiones), es el tubo de Pitot tipo Prandtl. También se usan
molinetes y otros elementos.
En el laboratorio esta medición se realiza en un conducto cilíndrico (Túnel
de Viento) conectado a unventilador centrifugo. Este equipo contempla
presiones relativamente bajas, razón por la cual el gas (aire) se asume
incompresible (ρ ≈ cte).
La instalación del tubo de Pitot es la siguiente

H = posición del tubo de Pitot dentro de la
sección de flujo.

La señal de Ps (presión estática) y la presión Pt (presión total) se miden
mediante manómetros de columna de agua tipo U.

3

3.1.2Método de cálculo
Luego de aplicar el teorema de Bernoulli (se considera µ=0) entre un punto del
flujo aguas arriba del Pitot en una zona no perturbada y el punto
estancamiento en el borde del Pitot, se tiene

⎛P P ⎞
u = 2g ⎜ t − s ⎟
⎝ γa γa ⎠

[m/s]

[6]

g = 9.8 (m/s2)

P

γa
Como Δha =

Pt

γa

−

Ps

γa

= metros de columna de aire.

se mide en columna de...