Número Reynolds. Laboratorio de Operaciones Unitarias Equipo 4 Primavera México D.F., 12 de marzo de 2008

Transcripción

1 Número Reynold Laboratorio de Operacione Unitaria Equipo 4 Primavera 2008 México D.F., 12 de marzo de 2008 Alumno: Arlette Mayela Canut Noval arlettecanut@hotmail.com Francico Joé Guerra Millán fjguerra@prodigy.net.mx Bruno Guzmán Piazza legend xxx@hotmail.com Adelwart Struck Garza adelwartg@hotmail.com Aeor: Mtra. Alondra Torre alondra.t@gmail.com Reumen El número de Reynold e quizá uno de lo número adimenionale má utilizado. La importancia radica en que no habla del régimen con que fluye un fluido, lo que e fundamental para el etudio del mimo. Si bien la operación unitaria etudiada no reulta particularmente atractiva, el etudio del número de Reynold y con ello la forma en que fluye un fluido on umamente importante tanto a nivel experimental, como a nivel indutrial. A lo largo de eta práctica e etudia el número de Reynold, aí como lo efecto de la velocidad en el régimen de flujo. Lo reultado obtenido no olamente on atifactorio, ino que denotan una hábil metodología experimental.

2 Índice 1. Objetivo 3 2. Introducción 3 3. Marco Teórico 5 4. Equipo 5 5. Trabajo Prelaboratorio 6 6. Procedimiento Experimental 7 7. Dato Experimentale y Reultado 7 8. Análii 8 9. Concluione 9 A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 2

3 1. Objetivo Relacionar la velocidad y la propiedade fíica de un fluido, aí como la geometría del ducto por el que fluye con lo divero patrone de flujo. 2. Introducción Cuando un líquido fluye en un tubo y u velocidad e baja, fluye en línea paralela a lo largo del eje del tubo; a ete régimen e le conoce como flujo laminar. Conforme aumenta la velocidad y e alcanza la llamada velocidad crítica, el flujo e dipera hata que adquiere un movimiento de torbellino en el que e forman corriente cruzada y remolino; a ete régimen e le conoce como flujo turbulento (ver la Figura 2.1). El pao de régimen laminar a turbulento no e inmediato, ino que exite un comportamiento intermedio indefinido que e conoce como régimen de tranición. Figura 2.1: Régimene de flujo. Si e inyecta una corriente muy fina de algún líquido colorido en una tubería tranparente que contiene otro fluido incoloro, e pueden obervar lo divero comportamiento del líquido conforme varía la velocidad (véae la Figura 2.2). Cuando el fluido e encuentra dentro del régimen laminar (velocidade baja), el colorante aparece como una línea perfectamente definida (Figura 2.1), cuando e encuentra dentro de la zona de tranición (velocidade media), el colorante e va diperando a lo largo de la tubería (Figura 2.2) y cuando e encuentra en el régimen turbulento (velocidade alta) el colorante e difunde a travé de toda la corriente (Figura 2.3). La curva típica de la ditribución de velocidade a travé de tubería e muetran en la Figura 2.3. Para el flujo laminar, la curva de velocidad en relación con la ditancia de la parede e una parábola y la velocidad promedio e exactamente la mitad de la velocidad máxima. Para el flujo turbulento la curva de ditribución de velocidade e má plana (tipo pitón) y el mayor cambio de velocidade ocurre A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 3

4 Figura 2.2: Comportamiento del líquido a diferente velocidade. Figura 2.3: Ditribucione típica de velocidad. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 4

5 en la zona má cercana a la pared. 3. Marco Teórico Lo diferente regímene de flujo y la aignación de valore numérico de cada uno fueron reportado por primera vez por Oborne Reynold en Reynold obervó que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de alguna propiedade fíica del fluido. Aí, el número de Reynold e un número adimenional que relaciona la propiedade fíica del fluido, u velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y etá dado por: donde: Re = Número de Reynold D = Diámetro del ducto [L v = Velocidad promedio del líquido [ L T ρ = Denidad del líquido [ M L 3 µ = Vicoidad del líquido [ M L t Re = D v ρ µ (3.1) Cuando el ducto e una tubería, D e el diámetro interno de la tubería. Cuando no e trata de un ducto circular, e emplea el diámetro equivalente (D e ) definido como: D e = 4 Área Tranveral de Flujo Perímetro Mojado (3.2) Generalmente cuando el número de Reynold (Ecuación 3.1) e encuentra por debajo de 2100 e abe que el flujo e laminar, el intervalo entre 2100 y 4000 e conidera como flujo de tranición y para valore mayore de 4000 e conidera como flujo turbulento. Ete grupo adimenional e uno de lo parámetro má utilizado en lo divero campo de la Ingeniería Química en lo que e preentan fluido en movimiento. 4. Equipo El equipo utilizado e muetra en la Figura 4.1. Conite de un tubo de vidrio de 1 in de diámetro, iluminado en u parte uperior por una lámpara fluorecente, por el cual fluye agua regulada por medio de la válvula A. El colorante (violeta de genciana en olución) e mantiene en un recipiente y e inyecta en la corriente de agua mediante un tubo metálico inertado en A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 5

6 el tubo de vidrio. La corriente de agua e recoge en un tanque de 21 cm de diámetro, provito de un medidor de nivel de tubo de vidrio. Figura 4.1: Equipo utilizado. 5. Trabajo Prelaboratorio Determinar lo flujo de alimentación de agua neceario para obtener do flujo laminare, do de tranición y do turbulento. Eto e, cuál debe er la velocidad de llenado del tanque de decarga para cada tipo de flujo? Tabla 5.1: Velocidade de llenado del tanque para diferente Reynold. Régimen Re [ v[ tubo m v tanque [ m Laminar Tranición Turbulento Lo valore obtenido en el trabajo prelaboratorio e muetran en la Tabla 5.1 y fueron calculado coniderando que A tanque v tanque = A tubo v tubo. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 6

7 6. Procedimiento Experimental Por medio de la válvula A regula lo mejor poible cada uno de lo flujo que obtuvite en el trabajo de prelaboratorio, y comprueba i realmente el régimen obervado e el que eperaba. Regula al meno ei flujo diferente de manera que oberve al meno do de cada tipo de régimen y obtén lo dato neceario para determinar la velocidad del flujo en cada cao. 7. Dato Experimentale y Reultado Para la realización de ete experimento evarió ligeramente el procedimiento experimental. En nuetro cao e fijó un tiempo de 30 egundo para cada corrida y e abrió la llave de flujo en una velocidad deconocida. Ete procedimiento e realizó aproximando flujo en la zona laminar, de tranición y turbulenta. Una vez fijado ete flujo e midió la altura de llenado del tanque, con lo que e poible calcular la velocidad del líquido en el tubo y el número de Reynold. De eta forma e verificará que el flujo fijado eté dentro del régimen deeado. Lo valore obtenido e muetran en la Tabla 7.1. Lo parámetro utilizado e muetran en la Tabla 7.2. Tabla 7.1: Dato Experimentale. Corrida Régimen Teórico Tiempo Altura [ [m Laminar Tranición Turbulento Tabla 7.2: Parámetro utilizado. Parámetro Valor Unidade kg C m kg C m 3 D tanque m D tubo m A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 7

8 La velocidade mínima y máxima del fluido en el tubo de vidrio para cada régimen de flujo e muetran en la Tabla 7.3. Tabla 7.3: Valore de velovidad mínima y máxma para cada régimen. Régimen Re [ v[ tubo m v tanque [ m Laminar Tranición Turbulento Con bae en lo reultado de la Tabla 7.4, utilizando la ecuación (3.1) y coniderando que A tanque v tanque = A tubo v tubo e obtienen lo reultado motrado en la Tabla 7.4. Tabla 7.4: Reultado obtenido. Corrida v tanque [ v tubo Re Régimen Experimental m [ m [ Laminar Laminar Laminar Tranición Tranición Turbulento Turbulento Turbulento 8. Análii Como e oberva en la Tabla 7.4, lo valore de Reynold calculado para cada flujo, coinciden con el régimen eperado. Si e analizan la corrida 3 y 5, comparándola con lo dato de la Tabla 7.3, e puede obervar que con el flujo fijado e obtuvieron valore de Reynold cai de frontera. Eto habla de una gran preciión al momento de fijar el flujo en el tubo, pue cabe recordar que eto e realizó con bae en la obervación de la violeta de genciana dentro del tubo. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 8

9 9. Concluione Una vez analizado lo reultado e poible afirmar que on atifactorio, pueto que en todo lo cao, el régimen de flujo obtenido experimentalmente coincide con el eperado. Incluo en un par de ocaione fue poible obtener valore cercano a la frontera. Cabe recordar que durante la experimentación e fijó un flujo al azar, que debía etar dentro del régimen deeado. Lo reultado obtenido coinciden a la perfección con la obervacione realizada durante la práctica, donde una delgada línea de violeta de genciana en el tubo denotaba un flujo laminar, mientra que vórtice de violeta de genciana indicaban un régimen turbulento. Como era de eperare, al aumentar la velocidad de flujo e paa de un régimen laminar a uno turbulento, y com conecuencia aumenta el número de Reynold y e oberva la formación de vórtice. Si bien la operación unitaria etudiada no e particularmente atractiva, la comprenión de lo efecto de flujo en el régimen de flujo e umamente importante. El número de Reynold e quizá el número adimenional má utilizado en cálculo de ingeiería y u comprenión adecuada reulta fundamental. Lo objetivo fueron atifecho, pue no ólo e obtuvieron reultado adecuado, ino que e comprendió adecuadamente la relación de la velocidad con el régimen de flujo y lo efecto en el número de Reynold. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 9