Diseño y construcción de banco de ensayo para demostración de fenómenos de sedimentación de partículas en tubería

Abstract

El presente trabajo de memoria de titulación tiene como finalidad el diseño y construcción de un banco de ensayo experimental y modular orientado al estudio del transporte de partículas en suspensión, abordando fenómenos hidráulicos como la sedimentación, la recirculación y el transporte suspendido en condiciones controladas. El sistema desarrollado permite modificar parámetros operativos tales como la velocidad del flujo, la inclinación de las tuberías y la configuración de válvulas, incorporando tubería transparente y secciones con ángulos ajustables para facilitar distintas configuraciones geométricas. Con el fin de comparar la velocidad teórica de sedimentación con los valores observados experimentalmente, se realizaron ensayos bajo diversas combinaciones de configuración e inclinación, utilizando partículas de 2,2 mm, 3,0 mm y 3,7 mm de diámetro, con una gravedad específica de 2,65 y una concentración de sólidos en peso del 3,91 %. Como parte del análisis, se elaboró una tabla de clasificación del tipo de transporte observado en cada tramo, definiéndose cuatro categorías principales: clasificación 1, como flujo con lecho móvil; clasificación 2, correspondiente a un flujo con lecho estacionario; clasificación 3, asociada a un flujo con dunas en forma de montículos; y clasificación 4, cuando se alcanza un transporte en suspensión, indicando un régimen de flujo altamente eficiente. Los resultados indican que la tubería abatible B alcanzó un transporte continuo en rangos de velocidad entre 2,60 y 2,74 m/s, mientras que la abatible A lo logró solo al final del ensayo, y la tubería horizontal DN50 no presentó un desempeño adecuado. En configuraciones de derivación parcial, las tuberías abatibles evidenciaron transporte sin sedimentación entre 0,96 y 1,0 m/s, en concordancia con los valores teóricos estimados. Asimismo, el ensayo de inclinación variable reveló que ángulos entre 45° y 60° incrementan los efectos de sedimentación y recirculación, y el ensayo de aireación demostró que la presencia de burbujas disminuye significativamente la eficiencia del arrastre.

The present thesis project aims to design and construct a modular experimental test bench for the study of suspended particle transport, addressing hydraulic phenomena such as sedimentation, recirculation, and suspended transport under controlled conditions. The developed system allows for the modification of operational parameters such as flow velocity, pipe inclination, and valve configuration, incorporating transparent piping and sections with adjustable angles to facilitate a wide range of geometric configurations. In order to compare the theoretical sedimentation velocity with experimentally observed values, tests were conducted under various combinations of pipe configurations and inclinations, using particles of 2.2 mm, 3.0 mm, and 3.7 mm in diameter, with a specific gravity of 2.65 and a solid concentration by weight of 3.91%. As part of the analysis, a classification table was developed to categorize the type of transport observed in each section, defining four main categories: Class 1, corresponding to flow with mobile bed; Class 2, to stationary bed flow; Class 3, to flow with dune formations in the shape of mounds; and Class 4, representing suspended transport, indicating a highly efficient flow regime. The results show that the tilting pipe B achieved continuous transport within velocity ranges of 2.60 to 2.74 m/s, while pipe A reached this condition only at the end of the test, and the horizontal DN50 pipe did not achieve an adequate transport regime. In partial bypass configurations, the tilting pipes exhibited sedimentation-free transport between 0.96 and 1.0 m/s, in agreement with theoretical estimates. Additionally, the variable inclination test revealed that angles between 45° and 60° increase sedimentation and recirculation effects, and the aeration test demonstrated that the presence of bubbles significantly reduces transport efficiency.