Informe-accesorio-valvula-mariposa.docx

Año del Diálogo y Reconciliación Nacional

Universidad Nacional de Trujillo Escuela Académico-Profesional de Ingeniería Mecánica

Curso: Mecánica de Fluidos I.

Docente: Ing. Luis Julca Verástegui.

Informe: Coeficiente de pérdidas en una válvula mariposa.

Integrantes:   

Asencio Palma,Sthefano Menacho Abanto, José. Pacheco Flores, Adrián

Trujillo-Perú

2018

RESUMEN.

Los sistemas de tuberías usan distintos accesorios tales como válvulas, toberas, codos, etc. Estos accesorios crean pérdidas denominadas menores, las cuales se deben tener en cuenta para un análisis ingenieril de la válvula, ya que nos permitirán determinar la potencia que debe tener la bomba. Las válvulas son accesorios importantes, estas tienen diferentes funciones y son de diferentes tipos. Encontramos las válvulas de globo, de bola, de mariposa, etc. Una válvula de mariposa es un dispositivo para interrumpir o regular el flujo de un fluido en un conducto, aumentando o reduciendo la sección de paso mediante una placa, denominada “mariposa”, que gira sobre un eje. Debido a su amplio uso, es importante determinar el valor de K experimentalmente para este tipo de válvulas en función del ángulo de apertura. Para esto se ha hecho uso del software Solidworks. Los resultados se muestran en el presente informe con sus gráficas respectiva

VÁLVULA

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1. GENERALIDADES. 1.1.

INTRODUCCIÓN.

Una de las aplicaciones más importantes del método integral se encuentra en la aplicación de la ecuación de la energía ahí deducida a los sistemas de tuberías. En este caso no trabajamos en unidades de energía propiamente dicha, si no de energía por unidad de masa o carga. Con esto podemos calcular la potencia necesaria en la bomba a instalar. Los accesorios y la fricción provocan pérdida de carga. Particularmente, la válvula mariposa al ser un accesorio, provoca pérdidas menores, las cuales son estudiadas generalmente por métodos experimentales directos o por simulaciones. Es así que se ha procedido a simular para diferentes ángulos de apertura de dicha válvula, la caída de presión y variación de velocidad, parámetros necesarios para determinar el valor de K

Las características de la válvula se muestran en el subsiguiente punto. Los resultados obtenidos se mostrarán mediante tablas de Excel y gráficos.

1.2.

OBJETIVOS.

 Determinar el coeficiente de pérdidas de carga K.  Graficar los resultados del coeficiente de pérdidas de carga en función del ángulo de abertura.

VÁLVULA

3

1.3.

DESCRIPCIÓN DE LAS CONDICIONES Y PROPIEDADES DEL FLUJO, FRONTERAS DEL DOMINIO FÍSICO O DIMENSIONES DEL MODELO CAD.

Los planos de las partes correspondientes a las válvulas dibujadas en Solidworks se muestran a continuación:  Asiento:

 Vástago.

 Guasa.

VÁLVULA

4

 Disco.

 Cuerpo de la válvula.

 Tuerca. VÁLVULA

5

 Tornillo.

 Tubo:

Además, se ha considerado lo siguiente:  La pared interna del tubo por donde entra el agua a la válvula es rugosa.  El agua se encuentra a T=293K.  La presión de salida es la atmosférica que tiene un valor de 101.325 kPa.  Los valores del número de Reynolds considerados son: [1000, 10 5, 107]  Los ángulos de apertura de la válvula mariposa son: [45, 60, 70, 75, 90]

VÁLVULA

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2. Marco teórico. 2.1 Antecedentes. 2.2. Fundamento teórico. Las pérdidas de carga en una tubería pueden deberse a la fricción que se ejerce sobre un flujo completamente desarrollado en una tubería de área constante, a la cual se le denomina pérdidas mayores, y por otro lado las pérdidas se pueden deber a entradas, accesorios, cambios de área, todas estas agrupadas en la categoría de pérdidas menores. Como se ha mencionado, para el fin de este trabajo se despreciarán las pérdidas mayores, por lo que solo desarrollaremos teoría de pérdidas menores:  Pérdidas menores. Su nombre se debe a que En un sistema típico, con tubos largos, estas pérdidas son menores en comparación con la pérdida de carga por fricción en los tubos (las pérdidas mayores), aunque en condiciones especies, estas pérdidas pueden ser mucho más significativas que las pérdidas mayores. Uno de los principales causantes de pérdidas menores son los accesorios tales como válvulas, codos, ramificaciones, etc. Esto se debe a que los accesorios interrumpen el flujo suave del fluido, ya sea para bifurcarlo, reorientarlo, reducir el área transversal o aumentarla. Por lo general las pérdidas menores de carga se expresan en función del coeficiente de pérdidas K: ℎ𝐿 𝐾= 2 𝑉 /2𝑔  ℎ𝐿 representa la pérdida de carga adicional debido a la inserción del accesorio en el sistema de tuberías, matemáticamente se expresa como: ℎ𝐿 =P/ρg. Este delta de presión es la diferencia de presión cuando está presente en el accesorio menos la diferencia de presión cuando no hay accesorio. Por ejemplo, en la siguiente imagen se muestra la forma cómo determinar el delta P para una válvula.

VÁLVULA

7



𝑉 representa la velocidad promedio del flujo en la zona de pérdida de carga menor. Para efectos prácticos, la tomaremos como la semisuma de la velocidad de entrada y de salida.

Es importante recalcar que K es una adimensional, sin embargo, no existen tablas que relacionen este coeficiente con el número de Reynolds ni con la rugosidad. En consecuencia, debemos expresar este coeficiente en función del ya tabulado coeficiente de fricción. Esto se logra introduciendo la longitud equivalente. 𝐾=𝑓

𝐿𝑒𝑞 𝐷

Donde 𝐿𝑒𝑞 es la longitud equivalente y representa la longitud de una tubería en la cual las pérdidas mayores tienen el mismo valor que la pérdida causada por el accesorio. Las pérdidas de carga menores las podemos agrupar en diferentes tipos, según el accesorio y si la expansión o contracción es gradual.  Válvulas: se usan en los sistemas de tubería para controlar las razones de flujo al simplemente alterar la pérdida de carga hasta que se logra la razón de flujo deseada. Para las válvulas es deseable tener un coeficiente de pérdida muy bajo cuando están totalmente abiertas, de modo que causen la mínima pérdida de carga durante la operación de carga completa. En la actualidad, son de uso común varios diseños distintos de válvulas, cada uno con ventajas y desventajas. La válvula de compuerta se desliza arriba y abajo como una compuerta, la válvula de globo cierra un agujero colocado en la válvula, la válvula de ángulo es una válvula de globo con una vuelta de 90° y la de retención permite que el fluido fluya sólo en una dirección, como un diodo en un circuito eléctrico. Es importante notar que la pérdida de carga es mayor a medida que la válvula se cierra.

VÁLVULA

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Para la simulación se usará una válvula mariposa (la roja de la imagen anterior) la cual consta de un disco montado sobre un eje que, al cerrarse, se apoya en un anillo circular cerca de la superficie del conducto, sellando el mismo. Un simple giro de 90° abre por completo la válvula, por lo que este diseño es perfecto para válvulas de control de cierre y apertura rápidos, como ocurre en sistemas de protección antiincendios y en la industria de la energía eléctrica. Sin embargo, se necesita aplicar momentos importantes para cerrar las válvulas, y las pérdidas son muy elevadas cuando la válvula está casi cerrada. La siguiente gráfica muestra cómo varía K con respecto al ángulo de apertura de la válvula.

a) Número de Reynolds. La transición de flujo laminar a turbulento depende de la geometría, la rugosidad de la superficie, la velocidad del flujo, la temperatura de la superficie y el tipo de fluido, entre otros factores. Después de experimentos exhaustivos en los años de 1880, Osborne Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente de la razón de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido. Esta razón se llama número de Reynolds y se expresa para flujo interno en una tubería circular como VÁLVULA

9

𝑅𝑒 =

𝜌𝑣𝑠 𝐷 𝜇

Donde:    

𝜌 es la densidad del fluido. 𝑣𝑠 es la velocidad característica del fluido. 𝐷 es diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido. 𝜇 es la viscosidad dinámica del fluido.

A números grandes de Reynolds, las fuerzas inerciales, que son proporcionales a la densidad del fluido y al cuadrado de la velocidad del fluido, son grandes en relación con las fuerzas viscosas y por lo tanto las fuerzas viscosas no pueden evitar las aleatorias y rápidas fluctuaciones del fluido. Sin embargo, a números de Reynolds pequeños o moderados, las fuerzas viscosas son lo suficientemente grandes como para suprimir dichas fluctuaciones y mantener al fluido “en línea”. Por lo tanto el flujo es turbulento en el primer caso y laminar en el segundo. Según la magnitud del número de Reynolds tenemos:  Re 2100: el flujo se mantiene estacionario y se comporta como si estuviera formado por láminas delgadas, que interactúan sólo en función de los esfuerzos tangenciales existentes. Por eso a este flujo se le llama flujo laminar.  2100 Re 4000: la línea del colorante pierde estabilidad formando pequeñas ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin embargo delgada. Este régimen se denomina de transición.  4000 Re: Este régimen es llamado turbulento, es decir caracterizado por un movimiento desordenado, no estacionario y tridimensional

3. Procedimiento de modelamiento y simulación 3.1. Hipótesis.  Flujo de entrada completamente desarrollado.  No existirán fenómenos de cavitación durante el flujo.  Flujo permanente, incompresible e isotermo.

3.2 Pasos de la realización de la simulación. VÁLVULA

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 El primer paso será realizar el dibujo de una válvula mariposa en Solidword, debido a su complejidad se descargará la válvula de una página web, la válvula estará diseñada siguiendo normas prestablecidas.  Teniendo realizada la pieza, nos dirigiremos a la opción “flow simulation”, activaremos dicha opción y luego haremos click en “wizard”. Se abrirá una ventana en la cual llenaremos tres casilleros en cuales colocaremos el nombre del proyecto y un breve comentario de este. Finalmente daremos click en la opción “siguiente”.  En la siguiente ventana que aparecerá, seleccionaremos la opción “liquids”, luego buscaremos la opción “wáter”, daremos click en esa opción y luego en “next”.  Aparecerán más ventanas, a las cuales solo daremos click en next hasta que ya no aparezcan más.  Una vez culminado con el proceso anterior automáticamente tendremos que crear “tapas” en cada uno de los orificios de nuestra pieza, luego de crear las “tapas” le daremos un espesor de tan solo 2mm.  Ahora tendremos que darle condiciones de contorno, para ello nos dirigimos a “boundary conditions” seleccionamos la cara interna de la tapa creada por donde entra el fluido, seleccionamos la opción de “velocidad de entrada” y le damos el valor correspondiente.  Hacemos lo mismo para la presión de salida, nos dirigimos a la opción de “presión ambiente”, y seleccionamos la cara interna de la tapa del orificio de salida.  Repetiremos el paso anterior para la condición de pared real, seleccionaremos la cara interna de toda la pieza y haremos click en la opción de “pared real”, le daremos una rugosidad de 0.46 micrometros y por ultimo haremos click en aceptar.  Ahora tenemos que seleccionar las variables que analizaremos en esta simulación, haremos click en “goals” y seleccionaremos la opción “Surface goals” seleccionaremos en “static pressure” y “velocity” luego seleccionaremos la tapa interior del orificio de entrada del fluido.  Luego analizaremos la velocidad de salida del flujo, haremos click en “goals” y seleccionaremos la opción “Surface goals” seleccionaremos en “velocity” y en “static presure”, luego seleccionaremos la tapa interior del orificio de salida del fluido.  Por ultimo daremos click en la opción “Run” y esperaremos a que carguen los resultados de la simulación.  Este proceso se realizará un total de 15 veces, pues tenemos que variar el ángulo de apertura de la válvula, realizaremos la simulación con 3 números de Reynolds, debido a que son 5 ángulos de apertura a analizar se realizara 15 simulaciones.

VÁLVULA

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4 PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

4.1 Imágenes de la simulación en el software

 VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 45º y Re=1000. 12



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 45º y Re=100000.

13



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 45º y Re=10000000.

14



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 60º y Re=1000.

15



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 60º y Re=100000.

16



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 60º y Re=10000000.

17



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 70º y Re=1000.

18

 VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 70º y Re=100000. 19

VÁLVULA

20



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 70º y Re=10000000.

21



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 75º y Re=1000.

22



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 75º y Re=100000.

23



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 75º y Re=10000000.

24



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 90º y Re=1000.

25



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 90º y Re=100000.

26



VÁLVULA

Válvula. Angulo de apertura= 90º y Re=10000000.

27

4.2 Gráficos funcionales.



Angulo 45

60

70

75

90

Reynolds 1000 1000000 10000000 1000 1000000 10000000 1000 1000000 10000000 1000 1000000 10000000 1000 100000 10000000

VÁLVULA

Se tiene la siguiente tabla con los datos correspondientes a las simulaciones realizadas.

Velocidad de entrada 0.011728098 1.1728098 117.28098 0.011728098 1.17280977 117.280977 0.011728098 1.17280977 117.280977 0.011728098 1.17280977 117.280977 0.011728098 1.1728098 117.28098

Velocidad de salida 0.024125897 2.394161744 243.7821402 0.019836645 1.322292287 133.3305465 0.01515546 1.466534966 147.5460993 0.01238333 1.209790398 123.4459829 0.011759702 1.174464809 117.435831

Velocidad promedio 0.0179270 1.78348577 180.5315601 0.0157824 1.24755103 125.3057618 0.0134418 1.3196724 132.4135381 0.0120557 1.1913001 120.3634799 0.0117439 1.1736373 117.3584055

Presión inicial 101334.05 183417.0263 829440366.5 101327.2289 104413.86 30083306.4 101325.7755 103332.8561 20020143.15 101325.2558 102572.6655 12089118.72 101325.1201 101659.4137 2785782.781

Presión

K

9.05002898 82092.02629 829339041.5 2.228901882 3088.860019 29981981.4 0.77554863 2007.856086 19918818.15 0.255766321 1247.665495 11987793.72 0.120113433 334.4137302 2684457.781

56.37666 51.66854 50.94368 17.91476 3.97325 3.82281 8.59330 2.30815 2.27438 3.52308 1.76003 1.65659 1.74354 0.48605 0.39020

28



Se tiene la siguiente tabla, donde se encuentra el valor de “K” para cada Reynolds en función del ángulo de apertura de la válvula.

K Angulo



VÁLVULA

Reynolds 10^3

10^5

10^7

45

56.37666

51.66854

50.94368

60

17.91476

3.97325

3.82281

70

8.5933

2.30815

2.27438

75

3.52308

1.76003

1.65659

90

1.74354

0.48605

0.3902

Grafica “ϴ” vs “K” para Re= 1000

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Reynolds 10^3 60 50 40 30 20 10 0

0

10



20

30

40

50

60

70

80

90

100

Grafica “ϴ” vs “K” para Re= 100000

Reynolds 10^5 60 50 40 30 20 10 0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-10



VÁLVULA

Grafica “ϴ” vs “K” para Re= 10000000

30

Reynolds 10^7 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-10



Por lo tanto, sobreponiendo las gráficas obtenemos lo siguiente:

"ϴ" vs "K" 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-10

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5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 Conclusiones:  Se obtuvo el valor de “K” para cada valor del ángulo de apertura de la válvula.  Se realizó la gráfica de “ϴ” vs “K” para cada valor de numero de Reynolds, para cada ángulo de apertura de la válvula.  Se concluye que la perdida de carga en este accesorio es mayor mientras más pequeño sea el ángulo de apertura de la válvula.  Se concluye que los resultados obtenidos en el laboratorio de simulación son muy aproximados a la experimentación real.

5.2 Recomendaciones:  Se recomienda para la realización de esta práctica usar las tablas normadas en el diseño de la válvula mariposa, para poder comparar los resultados obtenidos con los presentados en la realidad.  Se recomiendo realizar la misma simulación para diferentes valores de Reynolds y otros valores del ángulo de apertura de la válvula, además, de realizar la misma simulación para otros tipos de válvulas.  Se recomienda realizar la validación experimental de los resultados obtenidos en la simulación.

6 BIBLIOGRAFÍA  CENGEL, CIMBALA. Mecánica de fluidos: Fundamentos y Aplicaciones. Mc Graw Hill. Primera edición. ISBN 970-10-5612-4. México DF. México: pág: 347-349, 353.  WHITE, Frank. Mecánica de fluidos. Mc Graw-Hill. Quinta edición. ISBN: 0-07-240217-2. México DF. México. pág:376-377, 379-388.

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 MUNSON, OKIISHI, HUEBSCH, ROTHMAYER. Fundaments of Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, Inc. Seventh Edition. ISBN 978-1-11811613-5. Danvers. Estados Unidos: pág:432-433, 440.  MOTT, Robert. Mecánica de fluidos. Pearson Educcación. Sexta edición. ISBN: 970-26-0805-8. México DF. México. pág:281,293-295.

7 ANEXOS. Se anexan las tablas en de los resultados en formato Excel.

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