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LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS PRÁCTICA No. 5 CALIBRACIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO

ANGELICA MARIA CELIS RAMIREZ CARLOS ALFREDO LEAL REAL

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIA CIVIL CÚCUTA 17/11/2010

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LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS PRÁCTICA No. 5 CALIBRACIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO

ANGELICA MARIA CELIS RAMIREZ COD: 1110318 CARLOS ALFREDO LEAL REAL COD: 1920167

ING. NELSON CELY CALIXTO PROFESOR

MECANICA DE FLUIDOS COD: 11105

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIA CIVIL CÚCUTA 17/11/2010 2

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Conocer los instrumentos de medición de flujo principales para medir caudales de tubería, distinguiendo los dispositivos de medidores de flujo que se implementan en la práctica. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Describir los instrumentos que se consideran en un sistema de medición como la placa de orificio, el tubo venturi, boquilla y rotámetro.  Observar las graficas que se piden en el laboratorio, analizando los resultados obtenidos y describiendo el comportamiento de los factores que influyen en el resultado.

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MARCO TEORICO

En el sistema de medición de flujo se debe tener en cuenta algunas razones importantes como son la elevación, la presión, la velocidad, la temperatura y la concentración.

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones esperadas. Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud. Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía. Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

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Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

BOQUILLA O TOBERA DE FLUJO Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección cilíndrica recta y corta. Debido a la contracción pareja y gradual, existe una pérdida muy pequeña. A grandes valores de Reynolds (106) C es superior a 0.99. La tobera de flujo, es un instrumento de medición que permite medir diferencial de presiones cuando la relación de ß, es demasiado alta para la placa orificio, esto es, cuando la velocidad del flujo es mucho mayor y las pérdidas empiezan a hacerse notorias. Luego, al instalar un medidor de este tipo se logran mediciones mucho más exactas. Además este tipo de medidor es útil para fluidos con muchas partículas

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en suspensión o sedimentos, su forma hidrodinámica evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos a la tobera.

BOQUILLA Consiste en una placa con orifico central donde no existe salida divergente, por lo tanto la zona de entrada queda convertida en una forma mas redondeada donde el cociente de contracción es la unidad. Estas boquillas tiene una desventaja de que las perdidas totales son mucho mas grande debido a la falta de guía del chorro de aguas debajo de las aberturas de las boquilla. La instalación de este medidor requiere que la tubería donde se vaya a medir caudal, este en línea recta sin importar la orientación que esta tenga. Recuperación de la presión: La caída de presión es proporcional a la pérdida de energía. La cuidadosa alineación del tubo Venturi y a expansión gradual larga después de la garganta provoca un muy pequeño exceso de turbulencia en la corriente de flujo. Por lo tanto, la pérdida de energía es baja y la recuperación de presión es alta. La falta de una expansión gradual provoca que la boquilla tenga una recuperación de presión más baja, mientras que la correspondiente al orificio es aún más baja. La mejor recuperación de presión se obtiene en el tubo de flujo.

PLACA ORIFICIO Se utiliza para medir el caudal de saluda de un dispositivo, la placa pleno lleva un orifico a través del cual fluye el fluido, la contracción experimentada por un fluido es considerable, el punto de sección transversal de la vena liquida se encuentra entre una y dos diámetros de orificio aguas abajo y en esta zona se determina la presión para poder hallar la diferencia.

TUBO VENTURI El tubo venturi se utiliza para medir la tasa de flujo en una tubería, generalmente es una pieza de fundida que consta: a. Una porción de agua arriba tiene un revestimiento de bronce contiene anillos piezometricos para medir presión estática. b. Una región canónica convergente c. Una garganta cilíndrica

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d. Una región cónica gradualmente divergente, contiene un manómetro diferencial de conecta los dos anillos piezometricos, en ellos la velocidad aumenta y la energía de presión disminuye ligeramente y tiene muchas aplicaciones en la vida diaria principalmente cuando se va a inyectar a un liquido dentro una corriente de aire. El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo. El cono de entrada, que forma el ángulo a1, conduce por una curva suave a la garganta de diámetro d1. Un largo cono divergente, que tiene un ángulo a2, restaura la presión y hace expansionar el fluido al pleno diámetro de la tubería. El diámetro de la garganta varía desde un tercio a tres cuartos del diámetro de la tubería. La presión que precede al cono de entrada se transmite a través de múltiples aberturas a una abertura anular llamada anillo piezométrico. De modo análogo, la presión en la garganta se transmite a otro anillo piezométrico. Una sola línea de presión sale de cada anillo y se conecta con un manómetro o registrador. La principal ventaja del Vénturi estriba en que sólo pierde un 10 - 20% de la diferencia de presión entre la entrada y la garganta. Esto se consigue por el cono divergente que desacelera la corriente.

ROTAMETRO Es un medidor de área variable que consta de un tubo transparente que se amplia y un medido de flotador (mas pesado que el liquido), el cual se desplaza hacia arriba por el flujo ascendente. El tubo se encuentra graduado para leer directamente el caudal, el flotador sirve para originar una diferencia constante de presión y su posición depende del caudal del fluido que esta circulando por el en cada instante.

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APARATOS

APARATO  MEDIDOR  DE  FLUJO

Descripción del banco de prueba: El fluido, en este caso agua; es bombeado al aparato por el extremo inferior izquierdo y fluye primeramente a través del Venturi a continuación por la expansión brusca (Tobera), Orificio y finalmente por el Rotámetro.  Al salir del Rotámetro, el agua pasa por una válvula de control conectada al tanque de pesaje, el cual está en el interior de un Banco Hidráulico que entrega agua al aparato medidor de flujo utilizando una bomba instalada en el Banco. Las presiones estáticas de cada punto a través del sistema de medición son registradas por medio de un manómetro multi-tubular transparente, el mismo que puede ser presurizado para evitar tener una columna de agua muy alta, ya que sólo nos interesa el diferencial de presión.Este aparato permite al estudiante familiarizarse con algunos de los métodos típicos de medición de flujo de un fluido incompresible, al mismo que se demuestra las aplicaciones de la ecuación de Bernoulli.

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CRONOMETRO

El cronómetro es un reloj o una función de reloj utilizada para medir fracciones temporales, normalmente breves y precisas. La palabra cronómetro es un neologismo de etimología griega: Χρόνος Cronos es el dios del tiempo, μετρον -metron es hoy un sufijo que significa '[aparato] para medir. ] El funcionamiento usual de un cronómetro, consiste en empezar a contar desde cero al pulsarse el mismo botón que lo detiene. Además habitualmente puedan medirse varios tiempos con el mismo comienzo y distinto final. Para ello se congela los sucesivos tiempos con un botón distinto, normalmente con el de reinicio, mientras sigue contando en segundo plano hasta que se pulsa el botón de comienzo. Los cronómetros pueden activarse con métodos automáticos, con menor margen de error y sin necesidad de un actor. Algunos de estos sistemas son: el corte de un haz luminoso o la detección de un transceptor. También en los ciclo computadores se usa un cronómetro automático activado por el movimiento de la rueda. Son habituales las medidas en centésimas de segundo, como en los relojes de pulsera o incluso milésimas de segundo.

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PROCEDIMIENTO

1. Revisar que cada una de las conexiones flexibles de los manómetros diferenciales esté sin aire. 2. Revisar que las válvulas de corte tanto para el flujo como para los manómetros diferenciales estén totalmente cerrados.

3. Abrir válvulas de corte para el manómetro diferencial que se va a utilizar. 4. Abrir ligeramente la válvula de paso del dispositivo que se va a utilizar.

5. Poner en funcionamiento la bomba y verificar que este cebada, si se encuentra funcionando correctamente procedemos a tomar lecturas para diferentes caudales, se deben tomar por lo menos tres lecturas de volumen y tiempo para cada apertura de la válvula. Si la bomba no esta cebada se apaga y se ceba y se pone en funcionamiento nuevamente.

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EVALUACION CÁLCULO TIPO Para calcular el caudal para el tuvo venturi, boquilla y placa orificio se utiliza la siguiente ecuación Q=c∗A'∗√ ¿ ¿ ¿ Q= caudal que pasa a través de la tubería C=constante de cada accesorio (ver libro Robert Mott- medidores de flujo) A’ = área de la tubería a la entrada del accesorio A’’ = área del orificio g= gravedad (P ¿ ¿ ' −P'' ) ¿ = caída de presión en cada accesorio γ

Los diámetros tanto de la tubería como la de cada dispositivo se pueden ver en las figuras colocadas en el banco de pruebas. Los manómetros de presión para el venturi y la boquilla son inclinados por lo tanto se ha de medir el ángulo de inclinación para poder hallar la caída de presión. Para hallar la constante de cada accesorio, C, se toma una formula establecida o vemos el libro Robert Mott, y tomamos un valor aleatorio, con el cual hallamos caudal y con esto, numero de reynolds con lo que comprobamos si el valor de la constante es correcto.

CALCULOS

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

PARA EL TUBO VENTURI

Constate del tubo c=

1

√

19.05 mm 4 1−( ) 40.8944 mm

=1.0244

Área de la entrada π A '= ¿ 4 A ' =1.31346∗10−3 m2 Área del orificio π A ' '= ¿ 4 A ' ' =2.85∗10−4 m 2 Caída de presión h=( 12.2−12.2 ) sen 20 ° h=( 0 m ) sen 20 °=0 m

P 1−P2 =0 m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0 m γ

√(

Q=1.0244∗1.31346∗10−3∗

m3 s h=( 12.3−12.2 ) sen 20 ° Q=¿0

( 2∗9.81∗0 ) 2

1.31346∗10−3 −1 2.85∗10−4

)

12

h=( 0.001 m ) sen 20° =0.000342 m

P 1−P2 =0.000342m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗10 3

)

P 1−P2 =0.0043 m γ

√(

Q=1.0244∗1.31346∗10−3∗

−5

Q=8.675∗10

m3 s

( 2∗9.81∗0.0043 ) 2

1.31346∗10−3 −1 2.85∗10−4

)

h=( 12.6−12.2 ) sen 20° h=( 0.004 m ) sen 20 °=0.001368 m

P 1−P2 =0.001368 m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0.017156 m γ

Q=¿1.735¿ 10−4

m3 s

( 2∗9.81∗0.017156 )

√(

Q=1.0244∗1.31346∗10−3∗

2

1.31346∗10−3 −1 2.85∗10−4

)

h=( 12.8−12.2 ) sen 20 ° h=( 0.006 m ) sen 20 °=0.00205 m

13

P 1−P2 =0.00205 m γ

(

N m3 −1 N 9.81∗103 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0.026 m γ

√(

Q=1.0244∗1.31346∗10−3∗

(2∗9.81∗0.026 m ) 2

1.31346∗10−3 −1 2.85∗10−4

)

m3 s Caudal del tubo venturi vs. h

Q=¿2.1361¿ 10−4

m3 ) s 0

h(m)

Q(



0

8,675*10-5

0.0043

1.735¿ 10−4

0.017156

2.1361¿ 10−4

0.026

PARA LA PLACA DE ORIFICIO

Constate del tubo c=

1

√

1−

9.75 mm ( 40.8944 mm )

4

=1.0016

Área de la entrada π A '= ¿ 4 A ' =1.31346∗10−3 m2

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Área del orificio π A ' '= ¿ 4 A ' ' =7.466∗10−5 m2 Caída de presión h=( 1.0−1.0 ) sen 20 ° h=( 0 m ) sen 20 °=0 m

P 1−P2 =0 m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0 m γ

√(

Q=1.0016∗1.31346∗10−3∗

Q=¿0

3

m s

( 2∗9.81∗0 ) 2

1.31346∗10−3 −1 7.466∗10−5

)

h=( 3.5−1.0 ) sen 20 ° h=0.025 m

P 1−P2 =0.025 m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0.3135 m γ

15

√(

Q=1.0016∗1.31346∗10−3∗

Q=1.8576∗10

−4

m3 s

( 2∗9.81∗0.3135 ) 2

1.31346∗10−3 −1 7.466∗10−5

)

h=( 8.1−1.0 ) h=0.071 m P 1−P2 =0.071 m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0.890 m γ

√(

Q=1.0016∗1.31346∗10−3∗

Q=¿3.130¿ 10−4

m s

3

( 2∗9.81∗0.890 ) 2

1.31346∗10−3 −1 7.466∗10−5

)

h=( 14.5−1 ) sen 20 ° h=0.135 m

P 1−P2 =0.00205 m γ

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗103

(

)

P 1−P2 =1.693 m γ

√(

Q=1.0016∗1.31346∗10−3∗

( 2∗9.81∗1.693 ) 2

1.31346∗10−3 −1 7.466∗10−5

)

16

Q=¿4.3168¿ 10−4

m3 s

Caudal de la placa de orificio vs. h



m3 Q( ) s 0

h(m)

1.8576∗10−4

0.3135

3.130¿ 10−4

0.890

4.3168¿ 10−4

1.693

0

PARA LA TOBERA

Constate del tubo c=

1

√

15.875 mm 4 1−( ) 40.8944 mm

=1.01155

Área de la entrada π A '= ¿ 4 A ' =1.31346∗10−3 m2 Área del orificio π A ' '= ¿ 4 A ' ' =1.9793∗10−4 m2 Caída de presión h=( 13.3−13.3 ) sen 20°

17

h=( 0 m ) sen 20 °=0 m

P 1−P2 =0 m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0 m γ

√(

Q=1.01155∗1.31346∗10−3∗

Q=¿0

m3 s

( 2∗9.81∗0 ) 2

1.31346∗10−3 −1 1.9793∗10−4 m2

)

h=( 13.5−13.3 ) sen 15° h=( 0.002 m ) sen 15° =0.0005176 m

P 1−P2 =0.000342m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗10 3

)

P 1−P2 =0.00650 m γ

√(

Q=1.01155∗1.31346∗10−3∗

Q=7.2325∗10

−5

m3 s

( 2∗9.81∗0.00650 ) 2

1.31346∗10−3 −1 1.9793∗10−4 m2

)

h=( 14.3−13.3 ) sen 15° h=( 0.01 m ) sen 15° =0.002588 m

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P 1−P2 =0.002588 m γ

(

N m3 −1 N 9.81∗103 3 m

132.83∗103

)

P 1−P2 =0.03245 m γ

√(

Q=1.01155∗1.31346∗10−3∗

Q=¿1.616¿ 10−4

m3 s

( 2∗9.81∗0.03245 ) 2

1.31346∗10−3 −1 1.9793∗10−4 m2

)

h=( 15.2−13.3 ) sen 15 ° h=( 0.019 m ) sen 15° =0.00492 m

P 1−P2 =0.00492 m γ

(

N m3 −1 3 N 9.81∗10 3 m

132.83∗10 3

)

P 1−P2 =0.0616 m γ

√(

Q=1.01155∗1.31346∗10−3∗

Q=¿2.226¿ 10−4

m s

3

( 2∗9.81∗0.0616 ) 2

1.31346∗10−3 −1 1.9793∗10−4 m2

)

Caudal de la tobera vs. h m3 ) s 0

Q(

h(m) 0

7.2325∗10−5

0.00650

1.616¿ 10−4

0.03245

19

0.0616

2.226¿ 10−4

ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOS

Para cada dispositivo se debe llenar la siguiente tabla. Dispositivo: Venturi

D: 40.8944mm

d: 19.05mm

Dispositivo: Placa de orificio

D: 24 mm

d: 9.75mm

Dispositivo: Tobera

D: 40.8944mm

d: 15.875mm

Tiempo (seg.) 0 32.34 16.86

Volumen Caudal (L) (rotamentro) GPM 0 0 2 2 2 4

venturi (cm) 12.2 12.2 12.3

Placa de orificio (cm) 1 1 3.5

Tobera (mm) 13.3 13.3 13.5 20

10.41 7.82

2 2

6 8

12.6 12.8

8.1 14.5

14.3 15.2

Para el rotámetro elaborar una grafica Q vs. Caudal leído

1gal= 3.785litros

Caudal leído (m3/s) 1.2618∗10−4 2.5236∗10−4 3.7854∗10−4 5.0472∗10−4

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