UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CATEDRA: MECÁNICA DE LOS FLUIDOS
Laboratorio №
3
FLUJO A TRAVES DE UN MEDIDOR VENTURI Profesor:
Integrantes:
Jesús Ferrer
Moreno Ana
C.I.24848220
Espinoza Phill C.I. 25744394 Burgos Rafael C.I.21248769 Guzmán Omar C.I.24037358 Pinto Saul
Ciudad Guayana 2/5/2014
C.I. 25935118
INTRODUCCIÓN Entre las principales mediciones realizadas a fluidos que circulan en un conducto cerrado se encuentra el caudal; este se define como: cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. El conocimiento de esta propiedad posee gran importancia en aplicaciones industriales como: Dimensionamiento de presas, embalses y obras de control de avenidas, producción de procesos o plantas, distribución prefijada de corrientes, mezcla de varias corrientes en determinadas proporciones, etc. Con el fin de obtener la medición del caudal o gasto se han diseñado numerosos métodos, directos o indirectos. Por ejemplo, un método directo consiste en medir el volumen o el peso de un fluido que pasa a través de una sección en una unidad de tiempo. Los métodos indirectos generalmente requieren la determinación de una carga manométrica, una diferencia de presiones o velocidades en varios puntos de una sección transversal, datos en base a los cuales se calcula el caudal posteriormente. En la siguiente práctica se hará uso de un dispositivo conocido como: Tubo de Venturi para medir el caudal a través de una tubería.
RESUMEN La práctica que se mostrara a continuación se basara en aprender el funcionamiento y uso adecuado del tubo Venturi, pesar que el instrumento a usar está un poco deteriorado se trabajara de la misma forma señalada en la práctica. Al iniciar los procedimientos, siguiendo con cuidado los pasos para la toma de datos de lectura de las alturas piezométricas en cada punto del medidor, se calculan usando Bernoulli; los coeficientes de descarga y sus pérdidas para hallar el coeficiente de caudal de cada experimento a realizar. Se notaron ciertas fugas de fluido en las conexiones e inestabilidad en la mesa.
OBJETIVO GENERAL Utilizar el Tubo Venturi para hallar parámetros relacionados al caudal de un fluido y comparar dichos valores con los obtenidos teóricamente.
OBJETIVOS ESPECIFICOS: 1. Calcular el coeficiente de descarga del Tubo Venturi. 2. Calcular las pérdidas de carga totales en el medidor. 3. Comprender el funcionamiento del Tubo Venturi, y su aplicación como medidor de flujo.
FUNDAMENTO TEÓRICO El Tubo Venturi es un dispositivo utilizado para medir el caudal o gasto a través de una tubería. Consta de los siguientes elementos: Una sección aguas arriba de diámetro igual al diámetro de la tubería, una sección cónica convergente, una garganta cilíndrica y una sección cónica con una divergencia gradual hasta alcanzar el diámetro original de la tubería. Además tiene perforada una serie de agujeros, a los cuales se conectan tubos manométricos que van a un distribuidor o múltiple común. El fluido circulante lleva una determinada velocidad a la entrada del aparato, la cual va aumentando en la sección cónica, y alcanza su máximo en la garganta cilíndrica. En la misma forma, la presión manométrica tiene a la entrada un valor, que luego disminuye a un mínimo en la garganta. El caudal que circula por el tubo, es función de las lecturas manométricas obtenidas. El tubo Venturi por lo general, se fabrica de una sola pieza fundida. Debido a que la sección cónica aguas abajo (difusor), ofrece una excelente recuperación de la presión, las pérdidas totales de carga resultan muy bajas. Además, este tipo de medidor requiere poco mantenimiento en cuanto a la limpieza, pues no presenta cambios bruscos de área. En los tubos Venturi comerciales solamente hay dos perforaciones, con sus correspondientes tubos manométricos; una en la sección cilíndrica de entrada, y otra en la garganta. Estas dos lecturas son suficientes para determinar el caudal circulante. La figura 3 muestra un medidor Venturi, tal como el utilizado en el laboratorio para determinar el caudal circulante de un fluido incompresible.
Al aplicar la ecuación de Bernoulli entre los puntos a y d, se obtiene:
(1)
La elevación de los puntos con respecto a cualquier nivel es la misma, por tanto ZAZD=0. El cociente p/ es la altura piezométrica H en el punto. Además, si se supone que no existen perdidas de carga en el tubo, la ecuación se pude escribir como:
(2)
La ecuación de continuidad expresa que:
(3)
Despejando VA, sustituyendo en (2) y ordenando términos se obtiene: (4)
De donde se obtiene que:
√
(5)
VD es una velocidad teórica, es decir, se suponen pérdidas nulas. Dado que en la realidad hay ciertas perdidas, se define un coeficiente de velocidad experimental:
(6)
Donde: Vr es la velocidad real y Vt es la velocidad teórica; por tanto: (7)
Se define además un coeficiente de contracción por: (8)
Donde Ar es el area real que atraviesa el fluido y At el area teorica o area de la sección considerada del aparato.
El caudal real circunlante por el tubo será:
(9)
Cq es el coeficiente de caudal, el cual queda definido por: (10)
Haciendo las sustituciones correspondientes (utilizando ecuaciones 5 y 9) se encuentra que el caudal circulante es:
√
(11)
El caudal real en la experiencia de laboratorio, se puede determinar por el método gravimétrico, por lo tanto, es posible conocer el valor del coeficiente de descarga Cd. La velocidad real en cada sección del medidor, puede ser calculada, por lo tanto, si se utiliza la ecuación de Bernoulli, considerando las velocidades reales, se pueden calcular las pérdidas entre dos secciones cualesquiera 1 y 2:
(12)
Las alturas piezométricas, forman un perfil específico a lo largo del medidor. Este perfil se obtiene de las lecturas directas en los tubos manométricos. Es posible además, construir un perfil teórico de la siguiente forma:
Aplicando Bernoulli entre el punto A y un punto cualquiera X, suponiendo perdidas nulas de carga, se obtiene:
(13)
Además, por la ecuación de continuidad:
(14)
y
(15)
Sustituyendo en 13 se obtiene:
(16)
Note que el valor de VD ha sido previamente deducido en la ecuación (5).
Método Gravimétrico: es un método directo de medición de caudal en el cual el peso o el volumen del fluido se miden mediante balanzas apropiadas de acuerdo con un intervalo de tiempo medido con un cronómetro. La expresión matemática correspondiente en este caso es:
(17)
DESCRIPCION DE EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS 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, o bien, uniéndola a un depósito carburante, se puede introducir este combustible en la corriente principal. Fluido Como fluido dentro del tubo Venturi se usó agua, la cual pasa a través de éste, y así se recolectan los datos dependiendo de la presión en cada zona del tubo, para luego obtener finalmente el caudal y el coeficiente de descarga. Pesas De un total de 2.5kgrs. Usadas para ver cuando la cantidad de fluido que pasara por el tubo de Venturi igualaría esta masa y así tener un valor especifico de la masa del agua q traspaso por el tubo.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se cierran las válvulas completamente, y se procede a encender la bomba. Se abre la válvula de la bomba, y a continuación se abre la válvula de salida del medidor. Se hace un ajuste de la cantidad de aire en el múltiple, de tal manera que con el máximo caudal (100% abertura de válvulas), las alturas piezométricas de A y D, se encuentren dentro de la escala indicada detrás de los tubos .a continuación, se toma lectura de las alturas piezométricas en cada punto del medidor, con el máximo caudal circulante. Adicionalmente, se toma nota de las pesas utilizadas, y el tiempo empleado para el método gravimétrico. Se cierran las válvulas de salida del medidor gradualmente, y se toman las mismas lecturas. Se repite la operación unas diez veces, hasta tener la válvula casi cerrada.
Datos: El diámetro de cada sección aparece en el soporte de Tubo Venturi.
DATOS DE ENTRADA Y LECTURA DIRECTA: Datos de entrada: Sección A B C D E F G H J K L
Diámetro (mm) 26 23,2 18,4 16 16,8 18,47 20,16 21,84 23,53 25,24 26
Diámetro (m) 0,026 0,0232 0,0184 0,016 0,0168 0,01847 0,02016 0,02184 0,02353 0,02524 0,026
Masa (Kg) Densidad (Kg/m³)
Área ( m²) 0,00053092 0,00042272 0,0002659 0,00020106 0,00022167 0,00026792 0,0003192 0,00037461 0,00043483 0,00050033 0,00053092
2,5 1000
Toma de datos Experimento 1 Sección A B C D E F G H J K L
MARCA (mm) 175 164 119 41 52 96 116 129 137 144 147
T1 T2
MARCA(m) 0,175 0,164 0,119 0,041 0,052 0,096 0,116 0,129 0,137 0,144 0,147
39,489 110,553
Experimento 2 Sección A B C D E F G H J K L
MARCA (mm) 175 165 123 49 59 103 119 131 139 145 149
T1 T2
MARCA(m) 0,175 0,165 0,123 0,049 0,059 0,103 0,119 0,131 0,139 0,145 0,149
37,673 108,234
Cálculos:
EXPERIMENTO 1 EXPERIMENTO 1 Qreal (m³/s) Qteorico(m³/s) Cd A-K 0,000105539 0,001166254 0,090493709 B-J 0,000105539 0,001312488 0,080411128 C-H 0,000105539 0,000167166 0,631339272 D-G 0,000105539 0,000313951 0,336162423 E-F 0,000105539 0,000366591 0,287892536 PROMEDIO Cq
Cq 0,270527762 0,343094326 0,650233542 0,432813492 0,512538491 0,441841522
EXPERIMENTO 2 EXPERIMENTO 2 Qreal (m³/s) Qteorico(m³/s) Cd Cq A-K 0,000106291 0,003134085 0,033914532 0,101386302 B-J 0,000106291 0,001834442 0,05794189 0,247223664 C-H 0,000106291 0,00023206 0,458032645 0,650233542 D-G 0,000106291 0,000487898 0,217854797 0,280490885 E-F 0,000106291 0,000544815 0,195095775 0,347331317 PROMEDIO Cq 0,325333142
Gráficas Perfil específico. Experimento 1
Perfil Específico Metros
0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0
Altura piezométrica H
A B C D E F G H J K L Puntos del Tubo
Perfil específico. Experimento 2
Perfil Específico Metros
0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0
Altura piezométrica H
A B C D E F G H J K L Puntos del Tubo
Perfil Teórico. Observación: este perfil ha sido construido en base a la ecuación 16
Perfil Teórico Metros
0.14 0.12 0.1 0.08 0.06
Altura piezométrica H
0.04 0.02 0 A B C D E F G H J K L Puntos del Tubo
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Las zonas en las que el tubo Venturi tiene un diámetro menor se observó que el coeficiente de descarga (Cd) aumenta, esto nos demuestra que aumenta la velocidad del fluido que pasa en ese momento por esa zona y la presión disminuye (por la conservación de la energía, ya que la energía cinética aumenta). Así como también se observa que el Cd disminuye mientras el diámetro del tubo sea mayor.
El coeficiente de caudal (Cq) también varía a mayor grado que el Cd, con una diferencia promedio de 0,11650838 entre ambos experimentos, observamos que este aumenta mientras el tiempo de la prueba sea mayor (experimento 1).
El caudal teórico tiene mucha variación respecto al real que se obtuvo, en ambos experimentos se observa que el teórico es mayor que el real en cada distinto punto del tubo tomado, ya que el teórico tiende a ser más especifico en cada punto y el real tomado es en general de toda la trayectoria.
CONCLUSIÓN
Se ha podido evidenciar de manera experimental la relación existente entre la altura piezométrica y el caudal que pasa a través de una sección transversal.
Se observo que en un fluido que circula a través de un recipiente cilíndrico con sección transversal variable, a medida que la sección transversal disminuye, la velocidad del fluido aumenta mientras que su presión disminuye y viceversa.
Al comparar las graficas de los perfiles especifico (experimental) y teórico se comprueba que los resultados obtenidos del tubo Venturi se encuentran aproximados a los valores ideales (Teoricos).
RECOMENDACIONES
- Realizar el mantenimiento correspondiente al tubo de Venturi, ya que, en ciertas zonas se notaba sucia al igual que en las mangueras. - Cambiar de mangueras que se ajusten bien a sus conexiones correspondientes o usar abrazaderas correctamente. - Los soportes de unen la estructura del tubo de Venturi con la mesa deben estar mejor ajustados para evitar la movimiento no deseado. - Cambiar tablero de medidas ya que algunas tablas para altura piezométrica están muy desgastadas y no se aprecian bien la medida.
ANEXOS:
Tubo de Venturi
Perfil Especifico Exp. 1
BIBLIOGRAFÍA
Zarate A., Jaime A. GUIA PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE LOS FLUIDOS.
Ciudad Guayana. 2000.
StreeterVictor&WylieBenjamin MECANICA DE LOS FLUIDOS.
Primera edición. Editorial McGRAW-HILL Colombia, 1979.
Fox, Robert & McDonald, Alan INTRODUCCION A LA MECANICA DE LOS FLUIDOS.
Primera Edición en español. Editorial Interamericana S.A. México D.F. 1984.
