Universidad de La Serena Facultad de Ingeniería Dpto. Ingeniería Mecánica Mecánica de los Fluidos Prof. Yerko Vergara Ramírez Laboratorio [L-3]
Laboratorio N°3: Medición de caudales Ivanna Tobar T
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Resumen El presente informe expone un análisis teórico y experimental respecto a la medición de caudales, mediante un venturimetro y placa de orificio, a través de experiencias practicas.
Introducción En la experiencia de laboratorio aplicaremos la primera ley de la termodinámica para un sistema abierto, obteniendo así expresiones matemáticas para obtener el valor del caudal. El caudal que circula por una conducción se puede determinar de forma simple imponiendo un estrechamiento en la sección de paso, de modo que se genere una reducción de presión, tanto más acusada cuanto mayor es el caudal circulante. Dentro de esta categoría de caudalímetros se encuentran el tubo Venturi y la placa orificio. En esta práctica se comparará el uso de ambos tipos de medidores para obtener el caudal de agua que circula por un circuito simple, que también dispone de un caudalímetro de flotador o rotámetro. La práctica se completará con la medida de las pérdidas de carga singulares habidas en los tres caudalímetros, que también aumentan con el caudal circulante.
1. MARCO TEÓRICO. Figura 1
1.1
Caudal (Q):
También conocido como flujo volumétrico es la cantidad de fluido que pasa por un determinado elemento por unidad de tiempo. Donde, V= velocidad (m/s) A= área ( )
1.2
Figura 2
Flujo compresible:
Es un flujo de gas en el cual la densidad cambia significativamente entre los puntos en una línea de corriente.
1.3
Flujo incompresible:
Flujo en cual la densidad de la partícula de un fluido no cambia a medida que se desplaza.
El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto (figura 1) o flujo en tubería (figura 2). Estas dos clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Una superficie libre está sometida a la presión atmosférica. El flujo en tubería, al estar confinado en un conducto cerrado, no está sometido a la presión atmosférica de manera directa sino sólo a la presión hidráulica.
2.- MÉTODOS DE MEDICIÓN Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de fluido, la precisión deseada, el control requerido y el tipo de caudal volumétrico o másico. -vertederos, - placas orificio, -venturímetros, -toberas, -rotámetros. Destacaremos las placas de orificio y el ventírumetro ya que fueron los usados en el laboratorio
2.1.- VENTURÍMETRO En la figura 3 se muestra el perfil de un tubo Venturi clásico, donde se puede apreciar la disposición de las tomas de
presión para diferencial.
determinar
la
presión
Figura3
Como se aprecia en la figura se pueden destacar tres partes fundamentales: a) una sección de entrada cónica convergente en la que la sección transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminución de la presión; b) una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante, y c) una tercera sección de salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. La incorporación de esta sección de salida permite una recuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y, por tanto, un ahorro de energía. Las principales limitaciones de los tubos Venturi son su elevado coste y la longitud necesaria para su instalación, sobre todo para grandes tamaños de tubería. Sin embargo, debido a su baja pérdida de carga, son justificados en casos donde tienen que bombearse grandes cantidades de líquido de forma continua. Cuando la pérdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor coste y mayor facilidad de instalación y mantenimiento.
2.2.- PLACA ORIFICIO Placas de orificio La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería. El orificio de la placa, como se muestra en la figura 4, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmental. Figura 3
Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente, un pequeño orificio de purga. Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura 2, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica. El más utilizado es el de cantos vivos, aunque también se usan las placas de cuarto de círculo y las de entrada cónica, especialmente cuando el fluido es viscoso. Para captar la presión diferencial que origina la placa de orificio, es necesario conectar dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. La disposición de las tomas, según se muestra en la figura 4 puede ser: en las bridas, en la vena contraída, y en la tubería. Las tomas en la brida se usan para tamaños de tubería de 2 in (50,8 mm) o superiores. En el caso de las tomas en la vena contraída, la toma antes de la placa se sitúa a 1 in (25,4mm) de distancia de la placa, mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de mínima presión, donde la vena alcanza su diámetro más pequeño.
Las tomas en la tubería se sitúan a 2 1/2 y 8 diámetros de tubería respectivamente, antes y después de la placa de orificio.
3.- FORMULAS 3.1.-Número de Reynolds
diferencias de alturas piezométricas y un cronómetro para medir el tiempo. Se trabajo con agua a temperatura ambiente, impulsada con la ayuda de una pequeña bomba. .
5.- DATOS Diámetro del orificio
14 (mm)
Diámetro de la garganta
14 (mm)
Diámetro de la cañería
28 (mm)
Densidad del agua
999 (Kg/m3)
Donde, V: velocidad A: área
Viscosidad cinemática
Según Tº
Largo del estanque
625 (mm)
3.3.-Coeficiente de caudal
Ancho del estanque
340 (mm)
Donde, V: velocidad media D: diámetro µ: viscosidad 3.2.-Caudal
3.4.-Coeficiente de velocidad
5.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 5.1 Experiencia N°1.
4.- PROCEDIMIENTO En se utilizó una que tenía un diámetro de 28 [mm], la cual tenía instalada una Placa Orificio y un Tubo de Venturi. Además se contó con un estanque de depósito para medir el caudal real, un manómetro diferencial utilizado para medir las
Se trabajo con la placa orificio 1. Se debe verificar si las conexiones del Loop Hidráulico estén ajustadas y estancas. 2. Se conecta el manómetro diferencial en los extremos de la placa orificio. 3. Se enciende la bomba para hacer fluir agua a través de la tubería. 4. Se abre la válvula de salida.
5. Se llena el estanque, tomando el tiempo que demora, obteniendo así el flujo volumétrico (sección del estanque .) 6. Observar la diferencia de altura piezométrica que indica el manómetro diferencial. 7. Repetir los pasos 4 a 6 para realizar 5 mediciones mas.
D: es el diámetro del orificio de la placa el cual mide 0,014 [m] : es la viscosidad cinemática del agua, para este caso . Además del número de Reynolds se tabulan los valores de y vistos en el Marco Teórico. NOTA:
Tablas:
1 2 3 4 5
0,010625 0,010625 0,006375 0,00425 0,00425
30,23 32,61 23,54 19,39 34,02
0,000351 0,000325 0,000270 0,000219 0,000124
Ahora se muestran las lecturas del manómetro diferencial para ambos lados de la placa teniendo ( , en m.c.A.)
1
27990,24
0,7090
0,6865
2
25947,41
0,7200
0,6972
3
21566,99
0,7029
0,6806
4
17455,29
0,6978
0,6757
5
9948,79
0,7415
0,7179
Gráfico de
v/s
1 2 3 4 5
0,569 0,535 0,488 0,446 0,387
0,041 0,095 0,169 0,234 0,326
0,528 0,44 0,319 0,212 0,061
Reynolds
Coeficiente de velocidad vs número de Reynolds
40.000 20.000 0
Obtención del número de Reynolds
0,69 0,69 0,68 0,67 0,72 coeficiente de velocidad
Gráfico de
v/s
Resultados:
Coeficiente de caudal vs número de Reynolds
1 2 3 4 5
Reynolds
30.000 20.000 10.000 0 0,71 0,72 0,71 0,69 0,74 coeficiente de caudal
5.2.-Experiencia N°2. Utilizando el Tubo de Venturi. Desarrollo: 1. Se conecta el manómetro diferencial en los extremos del tubo de Venturi. 2. Se abre la válvula de salida. 3. Se procede a llenar el estanque, observando la altura midiendo el tiempo que se demora. 4. Observar la diferencia de altura piezométrica que marca el manómetro diferencial. 5. Repetir pasos 2 a 4 para cada una de las 5 mediciones.
0,01065 28,54 0,010625 33,19 0,010625 36,08 0,010625 50,2 0,00425 32,7
0,0003722 0,0003201 0,0002944 0,0002116 0,0001299
Lecturas del manómetro diferencial para ambos lados de la placa ( , en m.c.A.)
1
0,598
0,04
0,558
2
0,56
0,092
0,468
3
0,535
0,127
0,408
4
0,45
0,244
0,206
5
0,399
0,315
0,084
Obtención del numero de Reynolds y de los valores Cq y Cv NOTA:
1 2 3 4 5
29647,696 25493,981 23451,919 16855,483 10350,405
A continuación gráficos de:
0,7306 0,6860 0,6758 0,6836 0,6574
se
representan
0,7074 0,6642 0,6544 0,6619 0,6365
los
Gráfico de
v/s
Coeficiente de caudal vs número de Reynolds
Reynolds
30000 20000 10000 0
fenómeno se debe a que el Caudal Real no puede ser mayor al Caudal Teórico, lo cual es bastante obvio ya que el caudal teórico no considera las pérdidas de energía que experimenta el fluido. La placa de orificio se diferencia del tubo de venturi en que el diámetro disminuye abruptamente en cambio en el segundo lo hace paulatinamente, por lo que la perdida de energía en el tubo de venturi es menor a la de la placa orificio.
0,73 0,69 0,68 0,68 0,66 Coeficiente de caudal
Gráfico de
v/s
Coeficiente de velocidad vs número de Reynolds 30000
Reynolds
25000 20000 15000 10000 5000 0 0,71 0,66
0,65 0,66
0,64
Coeficiente de velocidad
6.-CONCLUSIONES Gracias a ambas experiencias se puede llegar a la conclusión que las velocidades y caudales no superan la unidad, es decir que oscilan entre valores de 0 a 1. El valor del caudal en ambas experiencias va desde el 0,0001 al 0,0003 aprox., este
7.-BIBLIOGRAFÍA Pauta de laboratorio 3, Medición de caudales, Dpto. Ing. Mecánica, U. de la Serena. Mecánica de los Fluidos, edición, Merle C.Potter & David Wiggert. http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo
_incompresible#Fluido_incompre sible http://html.rincondelvago.com/me canica-de-fluidos.html
