2013

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA

LABORATORIO DE ENERGIA – LAB. 05

Acta Nº 03

INFORME

CURSO: Laboratorio de Ingeniería Mecánica I MN412 A

PERIOD. ACAD. : 2013-2

EXPERIMENTOS: Medición de Flujos

REALIZADO POR:

Magallanes Escate, Lucero del Milagro 20114157k Walter Rodrigo Flores Dávila 20114052D Aspilcueta Narvaez, Álvaro Martin 20110067G Tovar de la Cruz, Luis Ángel 20117003D Turpo Mansilla, Luis Miguel 20100045K

EXPERIMENTO DIRIGIDO POR:

Ing. Mechan Fecha: 11-09-2013

INFORME CALIFICADO POR:

Ing. Mechan

INTRODUCCIÓN

En este laboratorio, el objetivo es calcular mediante diversos instrumentos; para flujos compresibles (ρ≠cte) y no compresibles (ρ=cte), el caudal del flujo de aire o agua de los aparatos como tuberías, ductos, tanques, etc.

Los instrumentos usados tienen sustentación teórica, basados en la Mecánica de Fluidos; lo que haremos será una comparación de las mediciones de los instrumentos para llegar a la conclusión de decidir cual aparato es el más adecuada y precisa para cada distinta situación a la que nos enfrentemos.

Los experimentos para flujo compresible son: Tubo de Venturi, Medidor de placa con orificio, el Contómetro, el Rotámetro y el tanque simple.

Para flujo incomprensible: Tubo de Pitot, Manómetro Diferencial el Anemómetro.

FUNDAMENTO TEORICO

FLUJOS INCOMPRESIBLES

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 es 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.

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.

1. TUBO DE VENTURI :

En el Tubo de Vénturi el flujo desde la tubería principal en la sección 1 se hace acelerar a través de la sección angosta llamada garganta, donde disminuye la presión del fluido. Después se expande el flujo a través de la porción divergente al mismo diámetro que la tubería principal. En la pared de la tubería en la sección 1 y en la pared de la garganta, a la cual llamaremos sección 2, se encuentran ubicados ramificadores de presión. Estos se encuentran unidos a los dos lados de un manómetro diferencial de tal forma que la deflexión h es una indicación de la diferencia de presión p1 – p2. Por supuesto, pueden utilizarse otros tipos de medidores de presión diferencial.

La ecuación de la energía y la ecuación de continuidad pueden utilizarse para derivar la relación a través de la cual podemos calcular la velocidad del flujo. podemos escribir las siguientes ecuaciones:

…(1.1)

Q = A1v1 = A2v2 (2) …(1.2)

Estas ecuaciones son válidas solamente para fluidos incomprensibles, en el caso de los líquidos. Para el flujo de gases se debe tomar en cuenta como varía su densidad en el tramo.

Tubo de Vénturi

2. PLACA CON ORIFICIO :

La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería, el orificio que posee es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el fluido. El orificio es normalizado, la característica de este borde es que el chorro que éste genera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presión diferenciales. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta presión diferencial.

Como utiliza en mismo principio de Vénturi, las ecuaciones serán:

Qteorico=A2 v2=A2 √ 2( p1−p2)

ρ(1−(D2D1 )4

) …(2.1)

El caudal real:

teoricodreal QCQ …(2.2)

Cd = Coeficiente de descarga

Placa con Orificio

3. MEDIDORES DE AREA VARIABLE :

3.1. ROTÁMETRO:

El rotámetro es un medidor de área variable que consta de un tubo transparente que se amplia y un medidor de "flotador" (más pesado que el líquido) el cual se desplaza hacia arriba por el flujo ascendente de un fluido en la tubería. El tubo se encuentra graduado para leer directamente el caudal. La ranura en el flotador hace que rote y, por consiguiente, que mantenga su posición central en el tubo. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que asume el flotador.

FLUJOS COMPRESIBLES:

TUBO DE PITOT

Cuando un fluido en movimiento es obligado a pararse debido a que se encuentra un objeto estacionario, se genera una presión mayor que la presión de la corriente del fluido. La magnitud de esta presión incrementada se relaciona con la velocidad del fluido en movimiento. El tubo pitot es un tubo hueco puesto de tal forma que los extremos abiertos apuntan directamente a la corriente del fluido. La presión en la punta provoca que se soporte una columna del fluido. El fluido en o dentro de la punta es estacionario o estancado llamado punto de estancamiento.

Utilizando la ecuación de la energía para relacionar la presión en el punto de estancamiento con la velocidad de fluido: si el punto 1 está en la corriente quieta delante del tubo y el punto s está en el punto de estancamiento, entonces,

Solo se requiere la diferencia entre la presión estática y la presión de estancamiento para calcular la velocidad, que en forma simultánea se mide con el tubo pitot estático.

MANOMETRO DIFERENCIAL

Un manómetro diferencial es un dispositivo que mide la diferencia de presión entre dos lugares. Los manómetros diferenciales pueden variar desde los más simples que pueden construirse en casa hasta un equipo digital complejo.

ANEMOMETRO

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. Por lo que en actividades deportivas a vela es muy indicado.

Existe gran diversidad de anemómetros:

Los de empuje están formados por una esfera hueca y ligera o una pala, cuya posición respecto a un punto de suspensión varía con la fuerza del viento, lo cual se mide en un cuadrante. 

El anemómetro de rotación está dotado de cazoletas o hélices unidas a un eje central cuyo giro, proporcional a la velocidad del viento, es registrado convenientemente; en los anemómetros magnéticos, dicho giro activa un diminuto generador eléctrico que facilita una medida precisa. 

El anemómetro de compresión se basa en el tubo de Pitot y está formado por dos pequeños tubos, uno de ellos con orificio frontal (que mide la presión dinámica) y lateral (que mide la presión estática), y el otro sólo con un orificio lateral. La diferencia entre las presiones medidas permite determinar la velocidad del viento.

MATERIALES Y ESPACIOS DE LABORATORIO

TUBO DE PITOT

ANEMOMETRO

MANOMETRO DIFERENCIAL

WINCHA

DESTORNILLADOR

CONDUCTO DE AIRE

VENTURI

ORIFICIO

CONTOMETRO

ROTAMETRO

SISTEMA DE TUBERIAS

PROCEDIMIENTO

*Antes de realizar cualquier ensayo medimos las condiciones ambientales para

ese instante.

Los datos obtenidos son:

Presión Barométrica: 756 mmHg

T.B.S: 66ºF

T.B.H: 62ºF

Humedad Relativa: 760%

Hora de la anotación -> 03:30 P.M

Para flujo incompresible:

a) Tubo de Venturi:

1.- Activar las bombas de agua.

2.- Verificar si existe una pequeña cantidad de agua en el tubo antes de abrir la llave de agua, si existiera, se deberá medir la cantidad de agua existente.

3.- Abrir la llave de agua y anotar la diferencia de alturas en los niveles de las dos columnas de mercurio (manómetro) para 3 medidas con diferente caudal.4.- Para medir el caudal, se utiliza el tanque de agua. Primero se debe tomar medidas de las dimensiones del tanque, tanto su ancho como su largo y altura. El tanque cuenta con un tubo transparente vertical, donde puede observarse el nivel de agua, este está acompañado de una regla con medidas espaciadas por 6.8 cm. Cuando se abre la llave, el chorro de agua cae en el tanque, con la ayuda de un cronometro digital, se mide el tiempo que tarda el agua en cubrir 6.8 cm en el tubo vertical. Se repite este procedimiento 3 veces, para diferentes velocidades del agua, variando la amplitud de abertura de la llave.

5.- La medición del caudal se hace con la llave del tanque cerrada. Para descargar el agua del tanque, se abre la llave.

b) Medidor de placa con orificio:

1.- Activar las bombas

2. - De la misma manera que para venturi, se verifican que no existan cantidades de agua en el tubo, si existieran, se cuantifican para corregir posibles errores.

3.- Se abre la llave de agua y se anotan las diferentes alturas en los niveles de mercurio para 3 medidas.

4.- La medición del caudal se hace de la misma manera que con la experiencia de Venturi, de igual forma para 3 caudales diferentes.

5.- Cuando se inicie cada medición del caudal, se cierra la llave del tanque. Luego se abre la llave de descarga para proseguir con las mediciones.

c) El contómetro y el rotámetro:

1.- Cerrar las llaves que conducen al banco de tuberías y dejar la llave abierta

en la tubería que pasa por el fluxómetro.

2.- Con el cronómetro medir el tiempo que demora en marcar un litro, realizar 5

medidas y promediar los tiempos.

3.- Al mismo tiempo que se toma el tiempo, ver la altura marcada en el

rotámetro

4.- El contómetro llegaría a ser la lectura patrón y el rotámetro un instrumento

para medir caudal.

d) Tipo tanque simple:

1.- Mediamos las dimensiones del tanque con la wincha.

2.- Las llaves ubicadas debajo de los tanque las cerramos para impedir que se

vacie en pleno llenado.

3.- A medida que se llena un nivel de agua se eleva por un pequeño tubo

acompañado de una escala graduada (0-5-10-15-…).

4.- Tomamos como referencia una de esas medidas y cronometramos el

tiempo en que tarda en llegar a la otra marca.

5.- Apuntamos 3 medidas, tomamos su promedio.

Para flujo compresible:

a) Tubo de Pitot:

1.- Se abre la válvula de aire para medir la velocidad del fluido, y se introduce la columna con el fluido estacionario, colocando el punto de estancamiento en la primera medida.

2.- Se toman medidas de velocidad de 5 distintas partes del tubo; un punto central, un punto muy cercano a la pared del tubo y 3 puntos intermedios entre los 2 primeros.

3.- Con ayuda de una regla milimetrada, se anotan las distintas longitudes de cada punto donde se miden las velocidades.

4.- Así también como las diferencias de presión estática en la corriente de fluido principal y la presión de estancamiento, en el manometro diferencial.

b) Anemómetro:

1.- Primero lo encendemos, luego lo ajustamos según las unidades que queremos (velocidad en pies/min y temperatura en °F).

2.- Lo colocamos, sin importar el lado donde recibe el flujo, aproximadamente en el centroide del ducto rectangular.

3.- Una vez en el punto de medida, para esas condiciones apuntamos la velocidad y temperatura instantánea que marca el instrumento.

4.- Tomamos 5 medidas.

CALCULOS

1. MEDICION DE CAUDAL POR PITOT Y MANOMETRO DIFERENCIAL:

En el pitot se cumple:

QT=√2∗g∗∆ P……(I)

Datos obtenidos:

Radio Presión (pulg de agua) Velocidad (pie/min)0 0.17 11004 0.29 19008 0.305 220012 0.32 225016 0.31 221020 0.28 210024 0.28 210028 0.27 200032 0.27 2000

Reemplazando la presión en la fórmula (I) se obtiene la siguiente tabla

Radio Velocidad0 1375.431944 1796.44438 1842.3180112 1887.0776716 1857.3577620 1765.1994924 1765.1994928 1733.3914132 1733.30141

Por lo que el perfil de velocidades quedaría así:

2. MEDICION DE CAUDAL EN

VENTURI Y PLACA CON ORIFICIO:

En el venturi se cumple:

QT=A2√ 2ρHg× g×ΔHρH 2O(1−( A2A1 )2

)

Datos obtenidos:

D 1=1.4375”A1=1.0471×10−3m2

D 2=0.682”A2=0.2357×10−3m2

ρH 2O=1000 kg /m3

ρHg=13600 kg /m3

Medición ΔH (m) QTEORICO (L/s) QREAL (L/s)1 10.15pulg = 0.2578m 2.006 0.16822 3.79pulg = 0.0963m 1.226 0.1978

1200 1400 1600 1800 200005

101520253035

Perfil de velocidades

Perfil de velocidades

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.10.15

0.16

0.17

0.18

0.19

0.2

0.21

QREAL vs. QTEORICO

TendenciaLinear (Tendencia)

QTEORICO(L/S)

QRE

AL(L

/S)

Luego de la relación: CD=QREALQTEORICO

Medición CD

1 0.08382 0.1613

0.16 0.17 0.18 0.19 0.20

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

coef de descarga vs Qreal

coef de descarga vs Qreal

QREAL (L/S)

CD

el coeficiente de descarga promedio es:

CDP=0.1225

En la placa con orificio se cumple la misma ecuación para hallar el caudal, por tanto:

Medición ΔH (m) QTEORICO (L/s) QREAL (L/s)1 16cm = 0.16m 1.5806 0.42102 4cm = 0.04m 0.7903 0.6644

Luego de la relación: CD=QREALQTEORICO

Medición CD

1 0.26632 0.8407

0.16 0.17 0.18 0.19 0.20

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

Coef. De descarga vs. Qreal

Coef. De descarga vs. Qreal

QREAL (L/S)

CD

0.16 0.17 0.18 0.19 0.20

0.5

1

1.5

2

Qteorico vs Qreal

Qteorico vs Qreal

QREAL (L/S)

QTE

ORI

CO(L

/S)

El coeficiente de descarga promedio es:CDP=0.5535

3. ROTAMETRO Y CONTOMETRO:

En el laboratorio se toman los siguientes datos:

MEDICION H ROTAMETRO(mm) V CONTOMETRO(L) t(s)

1 105 10 15.22 88 10 18.2

Luego mediante una tabla de conversiones donde la altura está medida en mm se halla el caudal medido en gal/min.

H ROTAMETRO(mm) QROTAMETRO(gal/min) QROTAMETRO(L/s)105 11.76 0.7418688 9.856 0.6217

Luego comparando el caudal obtenido con el rotámetro y el contometro asumiremos que son el caudal teórico y real respectivamente, entonces hallamos los coeficientes de descarga mediante la relación

CD=QREALQTEORICO

:

MEDICION QREAL(L/s) QTEORICO(L/s) QROTAMETRO(L/s)1 0.6579 0.74186 0.8892 0.5495 0.6217 0.884

El coeficiente de descarga promedia será:

CDP=0.8865

CONCLUSIONES

El Cd (coeficiente de descarga) obtenido que representa la comparación entre el caudal real y el teórico muestra que el flujo pierde energía debido al rozamiento en la tubería.

En el tubo de Venturi la presión disminuye a medida que aumenta la velocidad a lo largo del tubo, debido a la disminución del área transversal.

La velocidad demuestra tener una relación inversa con la variación de la temperatura, ya que a menor temperatura de la normalizada la velocidad aumenta

OBSERVACIONES

Con respecto al tanque que se uso en la primera parte de la experiencia observamos que no esta diseñado para poder recibir el maximo caudal que se puede generar con las bombas, esto a pesar de que durante el recorrido de las tuberias que fueron modificadas por varias causas, hay fugas en cada empate de dichas tuberias.

Se puede apreciar que la perdidas de caudal o fugas que se dan en las tuberias disminuye cuando se trabaja con bajo caudal, esto puede ser cuando la valvula compuerta esta parcialmente abierta o se trabaja solo con un compresor.

Se pudo apreciar que cuando se realizaba la toma de velocidades con el anemómetro, este afectaba a la medida de velocidades en el pitot, debido a la turbulencia que generaba.

El rotámetro no estaba limpio, el polvo pegado a sus paredes hacia difícil tomar las medidas de caudal correspondiente.

RECOMENDACIONES

Evitar realizar las mediciones del flujo de aire con el anemómetro y el tubo de pitot al mismo tiempo.Evitar colocar el codo sobre el conducto, ya que genera perturbaciones en el conducto, lo que desequilibra el manómetro diferencial con el cual se realizan medidas.Realizar mantenimiento al sistema de tuberías para evitar errores por las fugas de agua.Realizar mantenimiento al rotámetro ya que prácticamente es difícil realizar experimentos con dicho instrumento debido a la suciedad que esta impregnada en sus paredes.

BIBLIOGRAFÍA:

Avallone, Eugene A. "Manual de Ingeniero Mecánico". Tomo 1 y 2. Novena Edición. Mc Graw Hill. Mexico, 1996.

Bolinaga, Juan. "Mecánica elemental de los fluidos". Fundación Polar. "Universidad Católica Andrés". Caracas, 1992.

Enciclopedia Salvat, Ciencia y Tecnología. Tomo 12 y 14. Salbat Editores, S.A. Primera Edición. Barcelona, 1964.

Mott, Robert. "Mecánica de los Fluidos". Cuarta Edición. Prentice Hall. México, 1996.

Vargas, Juan Carlos. "Manual de Mecánica para no Mecánicos". Intermedios Editores. Colombia, 1999