Equipo Para Estudio de Dinamica de Fluidos y Bombas

EQUIPO PARA ESTUDIO DE DINAMICA DE FLUIDOS Y BOMBAS Descripción del equipo y componentes principales 1. TANQUE DE ALIMENTACIÓN 2. ROTÁMETRO DE FLOTADOR Un rotámetro es un medidor de caudal en tuberías de área variable. El rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficiente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio (para presiones bajas; y de metal para presiones altas) y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal. 

Rotámetro de flotador (de 600 a 6000 L/h) Para medición de flujo en sistema de tuberías, con rango de medición de 600 a 6000 L/h para flujo turbulento.

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Rotámetro de flotador (de 30 a 300 L/h) Para medición de flujo en sistema de tuberías, con rango de medición de 30 a 300 L/h para flujo laminar.

3. BOMBA CENTRIFUGA Las Bombas centrífugas también llamadas Rotodinámicas, son siempre rotativas y son un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las tuberías de salida con una mayor presión.

En los procesos u operaciones industriales existen requerimientos de flujo en los que es necesario utilizar un sistema de bombeo con más de una bomba; esto puede ser porque la demanda de gasto o de carga del proceso sea excesivamente variable. El uso de dos o más bombas, en lugar de una, permite que cada una de ellas opere en su mejor región de eficiencia la mayor parte del tiempo de operación, aun cuando los costos iniciales pueden ser mayores, el costo de operación es más bajo y la mayor flexibilidad en la operación ayuda a pagar la inversión inicial. De acuerdo con la necesidad, se pueden presentar casos en que es necesario que el sistema esté integrado por pares motor-bomba iguales o pares diferentes. Cuando la necesidad de operación sea la de tener alta carga a gasto constante es necesario utilizar un sistema en serie. Si la demanda en el proceso es la de tener un alto gasto con una carga constante (no necesariamente) se debe utilizar un arreglo en paralelo. 4. SENSOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL A menudo es necesario conocer la presión relativa entre dos puntos; tales sistemas se conocen como sensores (o manómetros) de presión diferencial. De tal forma que el sensor ha de contar necesariamente con dos tomas de presión. Las dos tomas de presión convergen en una salida eléctrica, empleando una lógica de comparación entre ambos puertos de presión, por lo que tendremos un valor de tensión positivo según sea el incremento de presión o negativo, según sea el decremento de presión, de una toma respecto a la otra. Como en cualquier sensor de presión, hay diferentes series, para según la aplicación necesaria, emplear uno u otro. Estas series se diferencian por los rangos de presión necesarios, desde incrementos de 40mbar, hasta 600bar. También cabe destacar la diferencia según estemos hablando de medida de presión en líquidos o en gases. 5. VÁLVULA DE REGULACIÓN DE FLUJO Esta clase de válvulas se utilizará para realizar el control de caudal, presión, etc. de las distintas corrientes de proceso.

El mecanismo básico de funcionamiento de estos elementos será la regulación del caudal de paso controlando la posición relativa del obturador respecto al asiento. La forma y mecanismo mediante el cual se materializa el movimiento del obturador son los que nos definen los distintos tipos de válvulas existentes. Dentro de este grupo de válvulas encontraremos diversos tipos dependiendo de su diseño constructivo. Las características de asiento, obturador y movimiento de este último nos determinarán los posibles servicios a los que pueden ser dedicados cada tipo de válvula. Válvulas de compuerta

Están formadas por una compuerta circular o rectangular que se desliza por un plano perpendicular a la tubería. Normalmente son accionadas por un tornillo. Cuando están totalmente abiertas, dejan el conducto prácticamente libre, por lo que apenas tienen pérdidas. Esta característica ha hecho de ellas las válvulas tradicionales de cierre hasta la aparición de las válvulas de mariposa. Se utilizan totalmente abiertas o cerradas: no suelen ser adecuadas para regulación.

Válvulas de mariposa

Consisten en un disco interior a la tubería que gira 90º de abierta a cerrada. El eje de giro puede ser central o excéntrico (para que la presión del fluido favorezca el cierre), y los tipos de juntas de estanqueidad son muy variados. Su uso se ha extendido mucho por el poco espacio que ocupan, la facilidad de su accionamiento, su funcionamiento satisfactorio y, sobre todo, su bajo coste. Sus principales inconvenientes son que en el diseño más simple no siempre son completamente estancas (sobre todo con altas presiones), y que la presencia del disco en la tubería puede dar lugar a problemas con fluidos que arrastren sólidos.

La pérdida de carga cuando están abiertas es muy pequeña. Son efectivas como válvulas de cierre, y con un accionamiento y asientos adecuados se pueden utilizar para regulación.

Válvulas de diafragma Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación

Válvulas esféricas

Su diseño más habitual es una esfera o tronco de cono que gira respecto a un eje perpendicular a la tubería. Un taladro cilíndrico, de la misma sección que la tubería permite un paso total cuando está orientado en la dirección axial. El cierre se efectúa con un cuarto de vuelta. Completamente abiertas no producen pérdida de carga. En apertura parcial, al bloquear el flujo tanto a la entrada como a la salida, sus características frente a la cavitación son mejores que las de las válvulas de compuerta o mariposa. Con unos buenos asientos son absolutamente estancas.

Con un diseño adecuado se pueden utilizar para regulación. Son formidables para servicio pesado y altas presiones. Su precio es un tanto elevado.

Válvulas de bolas Se trata de una válvula que tiene en su interior una esfera perforada, la cual obtura el paso del fluido. La estanqueidad que ofrece la hace la más utilizada en redes de distribución en tuberías de diámetros hasta 2”.

Válvulas de retención o de antirretorno

Se utilizan para evitar el flujo inverso por las tuberías o para que no se vacíe la tubería de aspiración de las bombas cuando están paradas (descebado). En este último caso se conocen como válvulas de pie y están integradas con una rejilla filtrante. En la elección de estas válvulas es necesario tener en cuenta básicamente dos características: que no presenten una excesiva pérdida de carga cuando están abiertas, y que no provoquen transitorios muy fuertes al cerrarse. La magnitud del transitorio depende de la velocidad del flujo inverso cuando se cierra la válvula. En sistemas que se inviertan lentamente, cualquier tipo de válvula puede servir; pero cuando hay un depósito con aire cerca de la bomba, o varias bombas trabajan en paralelo, es conveniente escoger válvulas que cierren rápidamente. Si no está bien elegida, el golpe de ariete que provoca ella misma puede llegar a dañarla.

Válvulas de ángulo Esta válvula permite tener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando esta es considerable por las características del fluido o bien por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión. 6. MANÓMETRO Es un instrumento que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Esencialmente se distinguen dos tipos de manómetros, según se empleen para medir la presión de líquidos o de gases. Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica; dichos aparatos

reciben el nombre de manómetros y funcionan según los mismos principios en que se fundamentan los barómetros de mercurio y los aneroides. La presión manométrica se expresa ya sea por encima, o bien por debajo de la presión atmosférica. Los manómetros que sirven exclusivamente para medir presiones inferiores a la atmosférica se llaman vacuómetros.

7. MEDIDORES DE VOLTAJE Y AMPERAJE: 

Voltímetro: mide la diferencia de potencial o tensión existente entre dos conductores. Se conecta siempre en paralelo con la red a medir.

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Amperímetro: mide la corriente eléctrica que circula por un conductor. Se conecta en serie con el circuito cuya intensidad se desea medir. Para medir la corriente que circula por un conductor también se emplea las pinza amperimétrica, que tiene la ventaja de que no hay que hacer ninguna conexión.

8. MOTOR DE VELOCIDAD VARIABLE 9. TUBO VENTURI O EFECTO VENTURI Consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido que va a pasar al segundo conducto. Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo, algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono. Estos modelos se utilizan en numerosos dispositivos en los que la velocidad de un fluido es importante y constituyen la base de aparatos. La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad. Cuando se utiliza un tubo de Venturi hay que tener en cuenta un fenómeno que se denomina cavitación. Este fenómeno ocurre si la presión en alguna sección del tubo es menor que la presión de vapor del fluido. Para este tipo particular de tubo, el riesgo de cavitación se encuentra en la garganta del mismo, ya que aquí, al ser mínima el área y máxima la velocidad, la presión es la menor que se puede encontrar en el tubo. Cuando

ocurre la cavitación, se generan burbujas localmente, que se trasladan a lo largo del tubo. Si estas burbujas llegan a zonas de presión más elevada, pueden colapsar produciendo así picos de presión local con el riesgo potencial de dañar la pared del tubo. 10. EXPERIMENTO DE REYNOLDS Para visualizar las características de los flujos laminar y turbulento, Reynolds empleó un colorante inyectado en una corriente de agua; del interior del tanque de Reynolds (que está elevado respecto al suelo), parte un conducto transparente horizontal que, ya fuera del tanque, va conectado a una tubería descendente de desagüe. Debido al desnivel entre la superficie libre del tanque y el desagüe, por esta conducción circula agua. Al final de la tubería hay una válvula de regulación para controlar el caudal de agua desalojado (es decir, la velocidad de la corriente). En ese dispositivo, el agua se introduce en el conducto horizontal a través de una boquilla o embudo, con el objeto de facilitar una circulación del agua muy regular. En la zona de la boquilla se encuentra el inyector de colorante, alimentado desde un pequeño depósito exterior a través de una manguera. Para el tipo de movimiento correspondiente a flujo por un conducto de sección circular, se puede obtener una solución analítica suponiendo flujo estacionario, simetría axial e imponiendo equilibrio entre las fuerzas de presión y las fuerzas viscosas. La solución así obtenida, que refleja una distribución de velocidad de tipo parabólico respecto a la posición radial, es la conocida ecuación de Hagen-Poiseuille. En este movimiento, que es estacionario, las líneas de corriente coinciden con las trayectorias de las partículas de fluido, así como con las líneas de traza de las partículas de colorante en el ensayo de Reynolds, y no son sino rectas paralelas al eje del conducto. Sin embargo, Reynolds observó que dicho movimiento, estable y regular, sólo existe si la velocidad del flujo es suficientemente pequeña o bien si el diámetro del tubo es suficientemente pequeño para un caudal dado. Bajo estas circunstancias, el colorante forma una línea de corriente bien definida cuyo contorno muestra que sólo existe una pequeña difusión en la dirección radial, debida al transporte molecular. Además, cualquier perturbación que aparezca en el flujo es amortiguada rápidamente. Este movimiento es el denominado laminar. Por el contrario, si la velocidad es lo suficientemente grande, el movimiento del fluido se hace muy sensible a cualquier perturbación, las cuales se amplifican rápidamente. El flujo se hace entonces irregular y pierde su carácter estacionario. El grosor del colorante crece

rápidamente, el contorno se difumina y toma una forma irregular hasta que aguas abajo se convierte en una nube. Este movimiento es el denominado turbulento. Reynolds descubrió que la existencia de uno u otro tipo de flujo dependen del valor que toma una agrupación adimensional de variables relevantes del flujo, parámetro al que se denomina en su honor como número de Reynolds. 11. DIAMETRO DE TUBERIAS COMERCIALES

TIPO TUBERÍA

RUGOSIDAD EN METROS

COEFICIENTE DE MANNING

COEFICIENTE DE HAZEN WILLIAMS

PVC

LISO*

0.009

150

0.015

130

HIERRO GALVANIZADO 0.00015 A 0.00020

HIERRO FUNDIDO

0.00025 A 0.00050

0.013

130

ACERO

0.0004 A 0.0006

0.012

140

COBRE

LISO**

0.011

140

DIÁMETROS COMERCIALES EN PULGADAS

TIPOS DE UNIÓN Soldadura disolvente (unión química ) Conexiones 1/2 - 3/4 - 1 - 1 1/4 - campana y 1 1/2 - 2 - 2 1/2 - 3 espigo a - 4 - 6 - 8 - 10 - 12 - 14 presión Campana espigo - A presión con empaque de caucho Mecánicas Bridadas De bola -De rosca 1/2 - 3/4 - 1 - 1 Victaulic 1/4 - 1 1/2 - 2 - 3 - 4 Dresser Campana espigo - A presión con empaque de caucho Mecánicas Bridadas De bola -De 1/2 - 3/4 - 1 - 1 rosca 1/4 - 1 1/2 - 2 - 3 - Victaulic 4 Dresser 1/2 - 3/4 - 1 - 1 1/2 - A presión 2 - 2 1/2 - 3 - 4 - 5 - 6 - Mecánicas 8 - 10 - 12 - 16 - 18 - Soldadura – 20 - 24 - 30 Remachada 1/4 - 3/8 - 1/2 Campana 3/4 - 1 - 1 1/4 - 1 De rosca – 1/2 - 2 - 2 1/2 - 3 - 4 Mecánica

12. COEFICIENTES DE RESISTENCIA DE CODOS 45,90 Y 180:

13. ACTUACIONES DE UN DIFUSOR Los difusores variables son válvulas que cambian su sección de paso cuando se modifican las propiedades del fluido que las cruza. Los carburadores son las máquinas que los utilizan con mayor frecuencia aunque sirven también en otros mezcladores. Un difusor variable tiene una sección convergente, la garganta y una sección divergente. El fluido es subsónico y la presión del gas o de la mezcla de gases, se expande en la sección convergente, alcanzado el mayor vacío relativo en la garganta. Un mecanismo externo que puede ser una campana de vacío o un fuelle, utiliza la presión de vacío para mover la puerta del difusor. Los difusores variables son autómatas que obedecen a la velocidad del fluido medida con el número de Mach. Como la forma física del difusor difícilmente puede ser un tubo venturi perfecto siempre existirán pérdidas por contracción del chorro. Lo más interesante de este mecanismo es que si se conoce la forma como varían los coeficientes de perdidas, él es un sensor de la velocidad del flujo de peso.

14. MEDIDORES DE VELOCIDAD LOCAL 

ANEMOMETROS: Instrumento utilizado para medir la velocidad del viento (fuerza del viento). Los anemómetros miden la velocidad instantánea del viento, pero las ráfagas de viento desvirtúan la medida, de manera que la medida más acertada es el valor medio de medidas que se tomen a intervalos de 10 minutos. Por otro lado, el anemómetro nos permite medir inmediatamente la velocidad pico de una ráfaga de viento.

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MEDIDOR DE TURBINAS: Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje, las cuales giran cuando pasa un fluido a través de ellas. La velocidad a la cual giran estas aspas es proporcional a la velocidad del flujo, y si tenemos la velocidad y el área del conducto se puede determinar el caudal. Las turbinas deben instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente. Para captar la velocidad de la turbina existen dos tipos de convertidores: Reluctancia: La velocidad está determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético, esta variación cambia el flujo induciendo una corriente alterna en la bomba captadora. Inductivo: El rotor lleva incorporados un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina produce una corriente alterna en una bobina captadora exterior.

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TUBO DE PITOT: El tubo de Pitot se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica). Se utiliza mucho para medir la velocidad del viento en aparatos aéreos y para cuantificar las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales. Mide la velocidad en un punto dado de la corriente de flujo, no la media de la velocidad del viento