• Categories
• Desembocar (Hidrología)
• Bomba
• Medición de presión
• Grifo (Válvula)
• Ecuaciones

Citation preview

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA VICERRECTORA DE DOCENCIA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECÁNICA Laboratorio de Mecánica de Fluidos

INFORME DE LABORATORIO #6 ESTUDIO DEL PRINCIPIO DE BERNOULLI

PROFESOR: OSCAR MONGE RUIZ

ESTUDIANTES:

JOSÉ DAVID CAMPOS CERDAS 200944037 ALEJANDRO JOSÉ ROBERT RUIZ 200946398

GRUPO: 02

6 de Junio del 2013

 

Canadian Engineering Accreditation Board Bureau canadien d’accréditation des programmes d’ingénierie

Carrera evaluada y acreditada por:

CEAB

Contenido Introducción ................................................................................................................................. 1 Descripción del equipo, materiales y accesorios. ......................................................... 1

I)

II) Procedimiento de operación de los equipos y accesorios, y preparación de los materiales. ................................................................................................................................... 2 III)

Explicación del laboratorio. ........................................................................................... 3

Objetivo General ..................................................................................................................... 3 Procedimiento: ........................................................................................................................ 3 Marco Teórico. .......................................................................................................................... 5 Medidas de Seguridad ............................................................................................................... 7 IV)

Resultados Obtenidos.................................................................................................... 8

Análisis de Resultados ............................................................................................................. 10 Conclusiones. ........................................................................................................................ 11 V)

Bibliografía ..................................................................................................................... 12

VI)

Apéndice ........................................................................................................................ 13

Introducción En el presente informe, se busca comprobar uno de los principios más importantes del área de mecánica de fluidos, el cual es el principio de Bernoulli, para el laboratorio se utilizó un equipo el cual se encargó de registrar en distintos puntos del mismo, las magnitudes de las presiones, total, estática y dinámica, esto con objetivo de demostrar el principio de conservación de la energía mediante el principio de Bernoulli. I)

Descripción del equipo, materiales y accesorios. El equipo HM150.07 sirve para estudiar el principio de Bernoulli. Como objeto de medición se utiliza un tubo Venturi de 6 puntos de medición de la presión. Las 6 presiones estáticas se muestran en un panel con 6 manómetros. Además, se puede medir la presión total en distintos puntos del tubo Venturi. La presión total se indica en un segundo manómetro. La medición se efectúa mediante una sonda móvil en sentido axial respecto al tubo Venturi. La sonda está cerrada herméticamente con una empaquetadura para prensaestopas. El suministro de agua se da mediante el módulo HM150, que permite un circuito cerrado de agua.

Ilustración 1. Equipo HM150 Gunt Hamburg.

El equipo de la ilustración se compone de las siguientes partes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Válvula de control de flujo. Desbordamiento del tanque de almacenamiento. Bomba Sumergible. Válvula de compuerta. Indicador del nivel del tanque de medición. Tanque de medición.

1

Ilustración 2. Equipo HM 150.07 Gunt Hamburg.

El equipo de la ilustración 2, se compone de las siguientes partes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Panel de Ejercicios. Manómetro de tubito simple. Tubo de Salida. Válvula de Salida. Tubo de Venturi. Puntos de medición de la presión y empaquetadura para prensa estopas. 7. Cabeza de medida de la presión total (Móvil en sentido axial). 8. Racor de manguera de suministro de agua. 9. Válvula de entrada. 10. Manómetro de 6 tubitos.

II)

Procedimiento de operación de los equipos y accesorios, y preparación de los materiales. Inicialmente se procedió a comprobar si el equipo estaba energizado y al no estarlo se procedió a energizarlo, seguidamente se procede a fijar el caudal lo cual se realiza con las válvulas 4 y 9 de la ilustración 2. A continuación se procede a hacer una inspección de los equipos en la cual se verifica la perilla blanca y las perillas negras, todas ubicadas en el manómetro de 6 tubitos, se encuentren cerradas, luego de verificar con la válvula de entrada se procede a regular el caudal buscando que la columna 1 del panel 2

del manómetro no se rebalse, debe darse un tiempo para que se estabilice el nivel en el mismo. Ahora luego de hacer todas las verificaciones anteriores, se empiezan a tomar las medidas en cada uno de los puntos, cada vez que se realiza a medición en cada uno de los puntos, se debe de alinear la varilla con el centro de cada punto a medir, luego de hacerlo se puede tomar la medida de la presión estática en dicho punto, es importante tomar la medida de la parte inferior del menisco del líquido inmerso en el tubo. Luego de realizar las mediciones en cada punto, se procede a tomar la medida del caudal, para poder realizar dicha medida, se cierra la válvula de compuerta (4, ilustración 1), para que el fluido no regrese al depósito. Después de esto dejamos que el nivel del agua llegue hasta donde marca los 10 Litros y se mide a la vez cuando tarda en llegar a los diez litros. Finalmente al haber concluido ésta última acción se procede a apagar el equipo. III)

Explicación del laboratorio.

Objetivo General Demostrar el principio de conservación de la energía de Bernoulli en una línea de corriente del campo de flujo, en un tubo de Venturi con 6 puntos de medición. Procedimiento:

1. Coloque el equipo de ensayo en el HM150 de forma que la salida de agua vaya a parar al canal. 2. Conectar el HM150 y el equipo con una manguera. 3. Abrir la salida del HM150. 4. Ajustar la tuerca del racor del prensaestopas de sonda de forma que la sonda se pueda mover fácilmente. 5. Abrir las válvulas de globo de entrada y salida. 6. Cerrar la válvula de salida del manómetro de tubo simple, abajo (tubo al punto estanco.) 7. Conectar la bomba y abrir lentamente el grifo principal del HM150. 8. Abrir las Válvulas de purga de los manómetros de columna. 9. Cerrar con cuidado el grifo de salida hasta que los manómetros de columna queden irrigados. 10. Ajustar simultáneamente de la válvula de globo de la entrada y de la salida para regular el nivel del agua en los manómetros de forma que no excedan los límites superior e inferior del área de medición.

3

11. Determinar el caudal. Para ello se debe determinar el tiempo t, necesario para llenar el depósito volumétrico del HM150 en 10 Litros. 12. Medir la presión en todos los puntos de medición; después, colocar la sonda de presión total en el correspondiente nivel de medición y anotar la presión total. 13. Colocar el equipo de ensayo recto para evitar que los resultados de medición queden falseados. 14. Cuando se mida la presión, el depósito volumétrico del HM150 debe estar vacío y el grifo de salida debe estar abierto. De lo contrario, cuando crece el nivel del agua en el depósito también se modifica la altura de elevación de la bomba. Esto da lugar a relaciones de presión variables. Es importante mantener constante la presión de elevación de la bomba con caudales pequeños, de lo contrario, los resultados de medición queden falseados. 15. Si se modifica el caudal, se deben volver a ajustar las dos válvulas de globo para que las presiones medidas se encuentren dentro de los márgenes de visualización.

4

Marco Teórico. Ecuación de Bernoulli: La ecuación de Bernoulli plantea que un fluido laminar tiene tres componentes de energía: la energía de flujo, la energía potencial, y la energía cinética. Esta ecuación se representa a continuación:

Ahora bien estas cantidades de energía se pueden interpretar como cargas con unidades de distancia es decir una altura representante de la cantidad de energía para cada componente de la ecuación. Estas cargas son las siguientes:

En el caso particular de este laboratorio las cargas correspondientes ha y

se convierten a cero debido a que tienen el mismo nivel de referencia.

Otro aspecto importante para este laboratorio es que se toman en cuenta las perdidas por fricción que sufre el fluido a través de las tuberías. La ecuación final es la siguiente:

Donde Carga debida a la energía de flujo en el punto 1. Carga debida a la energía de flujo en el punto 2. Carga debida a las pérdidas por fricción.

Flujo másico: El flujo másico corresponde a la razón de materia por unidad de tiempo, en una tubería el flujo másico corresponde al caudal o flujo volumétrico multiplicado por el área de la tubería como se representa en la siguiente ecuación: ̇

̇

5

Para un flujo incompresible y estacionario como es el caso del flujo estudiado en este laboratorio se tiene que el flujo másico es constante así como su flujo volumétrico, lo que varía son las áreas y las velocidades del fluido para mantener el caudal constante. ̇ Velocidad en el tubo de Venturi: Para los distintos puntos de medición en el equipo HM150 se miden en cada ocasión las presiones total y estática. Las velocidades del fluido en cada uno de estos puntos se puede conseguir mediante la siguiente relación: ̇

Los valores para Punto de medición i 1 2 3 4 5 6

se obtienen en la siguiente tabla: Di (mm)

Ai (

28,4 22,5 14,0 17,2 24,2 28,4

)

̅

6,33 3,97 1,54 2,32 4,60 6,33

1,00 1,59 4,11 2,72 1,37 1,00

Tabla 1. Valores de Diámetro, área y velocidad de cada punto de medición.

El valor de caudal es el siguiente

̇

Una vez que se tienen los valores de se deben multiplicar por el factor ̅ correspondiente a cada punto de medición para obtener el valor de la velocidad real en cada punto de medición. Calculo del nivel de presión dinámico: La carga debida a la presión dinámica en cada punto o lo que es lo mismo el nivel de presión dinámico en cada punto de medición se calcula de la siguiente manera:

La velocidad medida se obtiene a partir del valor de la siguiente forma:

de la

√

6

Medidas de Seguridad Dentro de las medidas de seguridad que se deben seguir para este laboratorio en busca de una buena realización y además para salvaguardar la integridad de los practicantes del laboratorio y los equipos involucrados, podemos encontrar las siguientes: no se debe energizar la bomba en vacío debido a que sufriría un daño permanente, verificar la perfecta sujeción y la total apertura de válvulas de escape de seguridad, y por último es importante que al final se verifique el apagar el equipo y luego permitir el desagüe del líquido para no dejar la bomba accionada en vacío.

7

IV)

Resultados Obtenidos

Presión (mm) h ÉSTATICA h TOTAL h DINÁMICA

h1 (mm H2O) 240 245 5

h1 (mm H2O) 225 237 12

h1 (mm H2O) 80 241 161

h1 (mm H2O) 165 208 43

h1 (mm H2O) 180 200 20

h1 (mm H2O) 185 198 13

Q (L/s) 0,1378

Tabla 2. Datos Experimentales.

Ai (

)

Velocidad Teórica (m/s)

Velocidad medida (m/s)

6,33

0,22

1,21

3,97

0,57

1,15

1,54

3,71

1,26

2,32

1,63

0,85

4,60

0,41

1,08

6,33

0,22

1,15

Tabla 3. Valores del área y velocidades teóricas y experimentales para cada punto de medición.

300

Puntos de medición vs presión

250

Presión mm

200 h total

150

h estática 100

h dinámica

50 0 1 -50

2

3

4

5

6

Posición de medición

Ilustración 3. Gráfico 1. Presión en cada uno de los puntos de medición.

8

Velocidad m/s

Ilustración 4. Gráfico 2. Presión en cada punto de medición según fabricante.

2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000

Velocidad vs Puntos de medición Vmedida Vcalculada

1

2

3

4

5

6

Puntos de medición Ilustración 5. Gráfico 3. Velocidad medida y calculada en cada punto de medición.

Ilustración 6. Gráficos de las velocidades medidas y calculadas reportado por el fabricante

9

Análisis de Resultados Luego de realizar los cálculos y generar los gráficos, se pudo ver la comprobación de la ecuación de la energía de Bernoulli. Al analizar el gráficos obtenidos en los cálculos y compararlos con los gráficos brindados por el fabricante, se ve que el laboratorio tuvo buenos resultados, ya que presentan un comportamiento muy similar. Al analizar el gráfico de las presiones en cada punto de medición (ilustración 3), se puede ver el comportamiento de las presiones según el punto en el que se encuentran y complementando con la del gráfico de las velocidades (ilustración 5) puede verse el patrón con el que ocurre los fenómenos ilustrados en los gráficos. Según lo analizado en los gráficos, se puede ver que en el punto de máxima velocidad, que es donde el área transversal del tubo es la menor, se da una caída en la presión estática, de hecho en este punto se obtiene el menor valor en la presión estática, sin embargo cuando se analizan los valores de la presión dinámica se puede observar que en este mismo punto se encuentra el máximo valor de la presión dinámica, con lo que al seguir la congruencia de éste patrón se puede ver que la presión dinámica es proporcional a la velocidad, lo cual se evidencia en los comportamientos de ambas en sus respectivos gráficos. Por otra parte se puede ver que el comportamiento de la presión estática es inverso con respecto al de la velocidad, y esto también se logra evidenciar en los comportamientos de ambos en sus respectivos gráficos. Es importante ver que también que con respecto a la presión total las variaciones tanto de aumento y disminución tanto en la presión dinámica como en la estática producen cierto tipo de compensación lo cual se muestra en el comportamiento de una línea de presión total pero parece tener una tendencia un poco constante.

10

Conclusiones.  

Se verificó lo visto en teoría, respecto al cumplimiento de la ecuación de la energía de Bernoulli. Se logro identificar que al disminuir el área y aumentar la velocidad, la presión dinámica aumenta y la presión estática disminuye

11

V)

Bibliografía

-

Garro Zavaleta, A. (Marzo 2013). Laboratorio 6 Estudio del principio de Bernoulli. Extraído el 19 de Marzo, 2013, de Laboratorio de Mecánica de Fluidos Guía de Laboratorio.

-

Mott, R. (2006). Mecánica de Fluidos (sexta edición). México, Pearson Prentice Hall.

-

Instruction Manual HM 150.07 de Gunt Hamburg, extraído el 2 de Junio del 2013, del sitio web de Gunt Hamburg: http://www.eng.ucy.ac.cy/EFM/Manual/HM%2015007/HM15007E.pdf

12

VI)

Apéndice

Formulas y datos utilizados.

13