DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE

DE RESISTENCIA EN VALVULAS

Universidad Autónoma del Estado de México

Facultad de Química

Laboratorio de Flujo de Fluidos

Objetivo

Observar el comportamiento de la caída de presión que experimenta el fluido al

pasar a través de distintos tipos de válvulas, así como determinar los coeficientes

de resistencia para cada válvula a diferentes aberturas y a diferentes flujos.

Introducción

Las instalaciones industriales, en su mayor parte están constituidas por válvulas y

accesorios, por lo que es necesario conocer y manejar información sobre la resistencia al

flujo en válvulas y accesorios, para diseñar y/u operar un sistema de tuberías completo.

Cuando un fluido se desplaza uniformemente por una tubería recta, larga y de diámetro

constante, la configuración del flujo indicada por la distribución de la velocidad sobre el

diámetro de la tubería adopta una forma característica; cualquier obstáculo en la tubería

cambia la dirección de la corriente en forma total o parcial, altera la configuración

característica del flujo y ocasiona turbulencia, causando una pérdida de energía mayor de

la que normalmente se produce en un flujo por una tubería recta. Ya que los accesorios en

una línea de tuberías alteran la configuración de flujo, producen una pérdida de presión

adicional. La pérdida de presión total producida por un accesorio consiste en:

1) La pérdida de presión dentro del accesorio

2) La pérdida de presión en la tubería de entrada es mayor de la que se produce

normalmente si no existe un accesorio en la línea, este efecto es pequeño

3) La pérdida de presión en la tubería de salida es superior a la que se produce

normalmente si no hubiera un accesorio en la línea, este efecto puede ser muy grande.

Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede

iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una

pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o

conductos.

Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en

la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar,

conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y

gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van

desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden

trabajar con presiones que van desde el vació hasta más de 20000 lb/in² y

temperaturas desde las criogénicas hasta 815 °C. En algunas instalaciones se

requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen

importancia.

Si las válvulas se clasificaran según su resistencia que ofrecen al flujo, las que

presentan un paso directo del flujo, como las válvulas de compuerta, bola,

mariposa y macho, pertenecen al grupo de baja resistencia; las que tienen un

cambio de dirección del flujo, como las de globo y angulares, están en el grupo de

alta resistencia

Material

Cronómetro Medidor de volumen

Termómetro

Diagrama de equipo

Datos experimentales

válvula de compuerta

corrida abertura de la válvula

volumen (L) tiempo (S) caída de presión(mm Hg)

1 4 1/2 8 9.68 11.5

2 3 1/2 8 9.8925 12

3 2 1/2 8 9.9825 23.5

4 1 1/2 8 10.24 80.5

válvula de globo

corrida abertura de la válvula

volumen (L) tiempo (S) caída de presión(mm Hg)

1 8 10.8875 338.25

2 8 11.455 372.5

3 8 12.43 471.25

válvula de bola

corrida abertura de la válvula

volumen (L) tiempo (S) caída de presión(mm Hg)

1 8 9.405 19

2 8 9.585 40

3 8 9.7475 98.75

válvula aguja

corrida abertura de la válvula

volumen (L) tiempo (S) caída de presión(mm Hg)

1 8 10.14 224

2 8 10.4933 226.66

3 8 10.6766 227

4 8 11.12 240

5 8 11.21 260

6 8 11.56 300

7 8 11.9566 360

8 8 12.89 466.666

9 8 13.44 584.666

Memoria de calculo

Caudal de líquido en tuberías

𝑄 =𝜈

𝑡

𝑄 =8 𝑙

0.16133𝑚𝑖𝑛49.58

𝑙

𝑚𝑖𝑛

Donde

ν= volumen en litros t= tiempo en minutos

Velocidad de líquido en tuberías

𝜐 = 21.22𝑄

𝑑2

𝜐 = 21.2249.58

𝑙𝑚𝑖𝑛

(26.6 𝑚𝑚2)= 1.487

𝑚

𝑠

Donde

Q= caudal en litros por minuto

d= diámetro interior de la tubería en milímetros

Número de Reynolds para tuberías de acero

𝑅𝑒 = 21.22𝑄𝜌

𝑑𝜇

𝑅𝑒 = 21.2249.58

𝑙𝑚𝑖𝑛

(1003𝑘𝑔𝑚3)

(26.6𝑚𝑚)(1.31 𝑐𝑝)= 30287.9024

Q= caudal en litros por minuto

d= diámetro interior de la tubería en milímetros

ρ= densidad del fluido en kg/mᶟ

µ= viscosidad absoluta en centipoises

Coeficiente de Resistencia, K

Válvula de compuerta:

22.00275.0*8*8 fK

Válvula de globo:

52.9028.0*340*340 fK

Válvula de bola:

0816.00272.0*3*3 fK

Válvula de aguja:

2.11028.0*400*400 fK

Resultados

válvula de compuerta

volumen (L)

tiempo (S) caída de presión(mm

Hg)

caudal L/min

velocidad m/s

Reynolds factor fricción

coeficiente de resistencia

8 9.68 11.5 49.5867769 1.48712675 30287.2094 0.0275 0.22

8 9.8925 12 48.5216073 1.4551819 29636.6123 0.0278 0.2224

8 9.9825 23.5 48.0841473 1.44206231 29369.4152 0.0279 0.2232

8 10.24 80.5 46.875 1.40579951 28630.8776 0.0285 0.228

1,4

1,41

1,42

1,43

1,44

1,45

1,46

1,47

1,48

1,49

1,5

0 20 40 60 80 100

velo

cid

ad m

/s

caída de presión en mm Hg

velocidad vs caída de presión

velocidad vs caida de presion.Valvula de compuerta

1,4

1,41

1,42

1,43

1,44

1,45

1,46

1,47

1,48

1,49

1,5

15 35 55 75 95 115

velo

cid

ad m

/s

% abertura de la válvula

velocidad vs % abertura de la válvula

velocidad vs % abertura de lavalvula de compuerta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

19 29 39 49 59 69 79 89 99 109

caid

a d

e p

resi

on

en

mm

Hg

% abertura de la valvula

caída de presión vs % abertura de la válvula

caida de presion vs %abertura de la valvula decompuerta

válvula de globo

volumen (L)

tiempo (S) caída de presión(mm

Hg)

caudal L/min

velocidad m/s

Reynolds factor fricción

coeficiente de resistencia

8 10.8875 338.25 44.087256 1.32219398 26928.1458 0.028 9.52

8 11.455 372.5 41.9030991 1.25669026 25594.0801 0.029 9.86

8 12.43 471.25 38.616251 1.15811641 23586.4994 0.03 10.2

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

320 370 420 470

velo

cid

ad e

n m

/s

caída de presión mmHg

velocidad vs caída de presión.

velocidad vs caida de presion.Valvula de globo

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

30 40 50 60 70 80 90 100 110

velo

cid

ad m

/s

% aperrtura de la valvula

velocidad vs % apertura de la valvula

velocidad vs % apertura de lavalvula de globo

válvula de bola

volumen (L)

tiempo (S) caída de presión(mm

Hg)

caudal L/min

velocidad m/s

Reynolds factor fricción

coeficiente de resistencia

8 9.405 19 51.0366826 1.53060999 31172.8003 0.0272 0.0816

8 9.585 40 50.0782473 1.50186614 30587.3956 0.0273 0.0819

8 9.7475 98.75 49.2433957 1.47682862 30077.475 0.0275 0.0825

0

20

40

60

80

100

120

30 40 50 60 70 80 90 100 110

caid

a d

e p

resi

o e

n m

mH

g

% abertura dela valvula

caida de presion vs % abertura de la valvula

caida de presion vs %abertura de la valvula deglobo

1,47

1,48

1,49

1,5

1,51

1,52

1,53

1,54

0 20 40 60 80 100 120

velo

cid

ad e

n m

/s

caida de presion en mmHg

velocidad vs caída de presión

velocidad vs caida depresion en valvula de bola

válvula de aguja

volumen (L)

tiempo (S) caída de presión(mm

Hg)

caudal L/min

velocidad m/s

Reynolds factor fricción

coeficiente de resistencia

8 10.14 224 47.3372781 1.41966341 28913.2334 0.028 11.2

8 10.4933 226.66 45.7434744 1.37186461 27939.7508 0.0281 11.24

8 10.6766 227 44.9581327 1.34831191 27460.0704 0.0281 11.24

8 11.12 240 43.1654676 1.29454919 26365.1247 0.0283 11.32

8 11.21 260 42.8189117 1.28415584 26153.4511 0.0284 11.36

8 11.56 300 41.5224913 1.24527569 25361.6079 0.0286 11.44

8 11.9566 360 40.1451918 1.20396994 24520.3642 0.0288 11.52

8 12.89 466.666 37.2381691 1.1167872 22744.7779 0.029 11.6

8 13.44 584.666 35.7142857 1.07108534 21814.002 0.0293 11.72

1,47

1,48

1,49

1,5

1,51

1,52

1,53

1,54

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

velo

cid

ad m

/s

% abertura de valvula

velocidad vs % abertura de la válvula

velocidad vs % abertura dela valvula, en valvula debola

0

20

40

60

80

100

120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

caid

a d

e p

resi

on

en

mm

Hg

% abertura de la valvula

caída de presión vs % abertura de la válvula

caida de presion vs % abertura dela valvula, en valvula de bola

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

190 290 390 490 590 690

velo

cid

ad e

n m

/s

caida de preison en mmHg

velocidad vs caída de presión

velocidad vs caida depreison en valvula deaguja

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

0 20 40 60 80 100 120

velo

cid

ad e

n m

/s

% abertura de la valvula

velocidad vs % abertura de la válvula

velocidad vs % abertura de lavalvula, en valvula de aguja

Análisis de Resultados

De acuerdo a los resultados y las gráficas obtenidas podemos corroborar que mientras

mayor sea la abertura de la válvula mayor será la velocidad y la caída de presión decrece ,

de manera exponencial, y también podemos observar que mientras mas grande sea la

velocidad la caída de presión será menor

También podemos observar que el coeficiente de resistencia k es directamente

proporcional al factor de fricción f, y este a su vez depende del número de Reynolds el

cuales a mayor velocidad, mayor será el número de Reynolds.

Conclusiones

Podemos observar que:

A mayor velocidad, menor será la caída de presión.

A mayor abertura de la válvula, mayor es la velocidad.

A mayor abertura de la válvula, menor es la caída de presión.

Bibliografía

1 Crane. “FLUJO DE FLUIDOS EN VÁLVULAS, ACCESORIOS Y TUBERÍAS”, Mc Graw Hill, México, 1990.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 20 40 60 80 100 120

caid

a d

e p

resi

on

en

mm

Hg

% abertura de la valvula

caída de presión vs % abertura de la válvula

caida de presion vs %abertura de la valvula,en valvula de aguja