Integrantes: Jonatan Alviares Yamir Corro
DEDICATORIAS
Dedicamos nuestro proyecto A Dios por ser el todo poderoso y creador del cielo y la tierra por habernos dado inteligencia y sabiduría para lograr hacer realidad nuestros sueños que no terminan aquí.
A nuestros padres, porque son lo mas grande y hermoso que Dios nos ha dado, que con su amor y consejo nos enseñaron lo mejor de la vida.
A nuestros hermanos, por creer y confiar en nosotros, quienes con sus palabras y sonrisas nos hicieron sentir que contaba con ellos siempre.
A nuestro compañero de clases Alfonso Villareal, por contar con su apoyo en todo momento y siempre estuvo disponible incondicionalmente.
A nuestro profesor Jose turocsi por tener paciencia al momento de transmitirnos sus conocimientos.
A todo aquel que nos presto su ayuda y conocimientos para la elaboración de este proyecto.
INDICE GENERAL
DEDICATORIA……………………………………………………………………………….I INTRODUCCION…………………………………………………………………………….1 CAPITULO I EL PROBLEMA…………………………………………….………………………………..2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………………… ………2 OBJETIVO GENERAL………………………………………………………………………2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS………………………………………………………………..2 JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………………..…2 CAPITULO II MARCO TEÓRICO………………………………………………………………………….3 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION……………………………………………..3 DEFICION TEORICAS…………………..……….………………………..……………4-11 CAPITULO III METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN……………………………………………..12 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS …………………………..12 CONCLUSIONES………………………………………………………………………….13 RECOMENDACIONES……………………………………………………………………14
INTRODUCCIÓN En esta investigación tiene como finalidad la investigación y utilización del tubo de Venturi el cual, es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo, algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono. Estos modelos se utilizan en numerosos dispositivos en los que la velocidad de un fluido es importante. La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad. Se espera que con el desarrollo de esta investigación mas los conocimientos adquiridos en salón de clases, ofrecer a nuestros compañeros e interesados en la materia un material de apoyo para futuras investigaciones.
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EL PROBLEMA Construir un tubo Venturi, con materiales accesible. Para calcular el caudal de flujo y conocer su funcionamiento y aplicación.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Diseñar y construir un medidor de flujo donde se determine el caudal de flujo y aplicar el principio de Bernoulli, para ello se seleccionó el tubo Venturi con la instalación de un manómetro diferencial.
OBJETIVO GENERAL. Diseño y construcción de un tubo Venturi. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. • Recopilar toda la información posible acerca de la investigación en cuestión. • Ordenar la información obtenida del tema de la investigación. • Diseño y construcción del tubo Venturi. • Realizar pruebas del funcionamiento al mismo. • Efectuar recomendaciones para futuros proyectos. • Determinar el gasto de flujo circulante por el tubo Venturi • Aplicación del principio de Bernoulli .
JUSTIFICACIÓN. La presente investigación fluye por la necesidad de buscar alternativas que permitan desarrollar y ampliar conocimientos en cuanto a las aplicaciones y efectos del tubo Venturi.
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MARCO TEÓRICOS. Cuando el fluido fluye por el dispositivo ocurren pérdidas de energía que trae como consecuencia una disminución de la presión, por ello se realizó la investigación de dicho tema, asimismo obtener el caudal circulante por el tubo Venturi. Para la comprensión de éste debemos nombrar los siguientes aspectos:
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. Giovanni Battista Venturi, físico italiano mostró en 1797 que la contracción del flujo a la entrada de un tubo cilíndrico, ocasionaba disminución local de la presión y generación de remolinos. Luego reemplazó el cilindro por dos secciones cónicas, las cual llamó toberas de cono y que luego seria llamada tubo Venturi en su honor, elimina los remolinos y por lo tanto incrementa el flujo. El tubo Venturi mide flujo comprensible y no comprensible, gases y líquidos respectivamente. Este instrumento, tiene una sección de entrada de diámetro igual a la tubería de conducción, esta conduce a un cono de convergencia angular fijo, terminando en una garganta de diámetro inferior, ésta garganta se comunica con un cono de salida divergente fijo, cuyo diámetro es igual al de entrada. El tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo, algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono. Estos modelos se utilizan en numerosos dispositivos en los que la velocidad de un fluido es importante y constituyen la base de aparatos como el carburador. La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad. Cuando se utiliza un tubo de Venturi hay que tener en cuenta un fenómeno que se denomina cavitación. Este fenómeno ocurre si la presión en alguna sección
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del tubo es menor que la presión de vapor del fluido. Para este tipo particular de tubo, el riesgo de cavitación se encuentra en la garganta del mismo, ya que aquí, al ser mínima el área y máxima la velocidad, la presión es la menor que se puede encontrar en el tubo. Cuando ocurre la cavitación, se generan burbujas localmente, que se trasladan a lo largo del tubo. Si estas burbujas llegan a zonas de presión más elevada, pueden colapsar produciendo así picos de presión local con el riesgo potencial de dañar la pared del tubo. En este sentido, el tubo Venturi mide flujos comprensibles y no comprensibles gases y líquidos respectivamente. Su funcionamiento es: al disminuir el diámetro disminuye la presión y aumenta la velocidad del flujo. Al colocar un manómetro en la garganta se mide la caída de presión y hace posible el calculo del caudal instantáneo. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS Caudal. En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa por determinado elemento el] la unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Presión. Fuerza ejercida por un líquido, o por un gas, sobre cada cm2, o cada m2, de la superficie de un sólido con el que está en contacto. Presión Absoluta. Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas. Presión Manométrica. Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe. Vacío. Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente.
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2. Medición de caudales superiores a un 60% a los obtenidos por el diafragma para la misma presión diferencial e igual diámetro de tubería. 3. El Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos primarios. 4. Facilidad para la medición de flujo de líquidos con sólidos en suspensión. Fluido Incomprensible. Es aquel en el cual la densidad de una parcela no es afectada por cambios de presión isotérmicos, es decir, que no se puede comprimir. Velocidad. Ritmo de movimiento que se expresa como la distancia recorrida en una unidad de tiempo, por ejemplo: Velocidad = Distancia sobre Tiempo.
El Tubo Venturi. "El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, consta de 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 ó instrumento registrador en la garganta se mide la caída de presión y hace posible calcular el caudal instantáneo". El tubo Venturi se fabrica con materiales diversos según la aplicación de destino, el material más empleado es acero al carbono, también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión. El tubo Venturi ofrece ventajas con respecto a otros captadores, como son:
1. Menor pérdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la tobera de flujo, gracias a los conos de entrada y salida.
Generalmente los tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro, de 12" en adelante, ahí las placas de orificio producen pérdidas de carga importantes y no se consigue una buena medida, el venturi se utiliza en conductores de aire ó humos con conductos no cilíndricos, en tuberías de cemento grandes, para conducción de agua, etc. Según la naturaleza de los fluidos de medida, se requieren modificaciones en la construcción del tubo Venturi como son: eliminación de los
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anillos de ecualización, inclusión de registros de limpieza, instalación de purgas, etc. En el corte transversal se aprecian los anillos circulares que rodean el tubo Venturi en los puntos de medida. Esos anillos huecos conectan el interior del tubo mediante orificios en número de cuatro ó más, espaciados uniformemente por la periferia. El fluido, al circular, pasa por estos orificios y por el anillo donde se encuentran los racores que se conectan al transmisor.
Tubo Venturi
Manómetros de líquido - Son los instrumentos más antiguos para medir la presión. Se basan en el equilibrio de columnas líquidas. Actualmente se usan poco en procesos industriales en virtud de las desventajas que resultan de la presencia del líquido. Los tipos de manómetro de líquido de mayor uso son: Manómetro de tubo en V, de ramas iguales
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Manómetro de flotador, Manómetro de tubo sencillo, Manómetro de campana Manómetro anular El tubo de Venturi permite mayor precisión que el orificio, además, se recupera en gran parte la caída de presión. Otra de las ventajas es que tenemos mayor constancia en las indicaciones a lo largo del tiempo, es decir, existe mayor repetición. El tubo de Venturi es particularmente recomendable para líquidos con sólidos en suspensión. La única desventaja del tubo de Venturi es el costo elevado. Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos, que pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones. Gasto: Q=K
pérdida de carga
Tipo flujo ~ N° de Reinolds Coeficiente de descarga (cd): Para el tubo venturi generalmente varía entre 0,932 y 0,967. Pérdida de carga: Para determinar la pérdida de carga de los venturi, se utiliza un manómetro diferencial.
Conclusión: Los venturi proporcionan medidas con buena precisión y exactitud. La construcción artesanal es viable técnicamente y presenta un costo relativamente alto. Q=K (12,6h _ hf) SE=O,785 de K=E (2gl (de/dg) -1) Dg= diámetro
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garganta De= diámetro tubería conducción H= diferencia de nivel en el manómetro Hf= pérdida por frotamiento (se desprecia)
El efecto Venturi También conocido tubo de Venturi, consiste en que la corriente de un fluido dentro de un conducto cerrado disminuye la presión del fluido al aumentar la velocidad cuando pasa por una zona de sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido contenido en este segundo conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe su nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822). El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, necesariamente la velocidad aumenta. Por el teorema de conservación de la energía si la energía cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye forzosamente.
Aplicaciones del efecto Venturi • Aeronáutica: Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en alas de aviones el efecto Venturi por sí solo no es suficiente para explicar la sustentación aérea. Durante la Primera Guerra Mundial, Albert Einstein diseñó para el ejército alemán un modelo de ala a partir de un análisis del principio de Bernoulli y el efecto Venturi. El prototipo que llegó a ser construido no pudo apenas despegar. • Motor: En la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo que es la Alimentación de Combustible. Los motores requieren aire y combustible para funcionar. Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire para quemarse, y debe existir algún mecanismo dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la proporción correcta. A ese dosificador se le denomina carburador, y se basa en el principio de Vénturi: al variar el diámetro interior de una tubería, se aumenta la velocidad del
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paso de aire. El carburador aspira el carburante por efecto Venturi, mezclándolo con el aire (fluido del conducto principal), al pasar por un estrangulamiento.
Leyenda 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Entrada de aire. Mariposa del choke. Cuerpo del carburador. Surtidor de combustible. Venturi. Mariposa de gases. Surtidor de marcha mínima y punzón. Chicler de alta. Depósito o cuba. Flotador. Diafragma de inyección. Base y punzón. Entrada de combustible. Emulsionador. Inyector.
• Hogar: En los equipos ozonificadores de agua, se utiliza un pequeño tubo Venturi para efectuar una succión del ozono que se produce en un depósito de vidrio, y así mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con la idea de destruir las posibles bacterias patógenas y de desactivar los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfección con cloro. 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. Es importante conocer la relación que existe entre los distintos diámetros que tiene el tubo, ya que dependiendo de los mismos es que se va a obtener la presión
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deseada a la entrada y a la salida del mismo para que pueda cumplir la función para la cual está construido. Esta relación de diámetros y distancias es la base para realizar los cálculos para la construcción de un Tubo de Venturi y con los conocimientos del caudal que se desee pasar por él. Deduciendo se puede decir que un tubo de Venturi típico consta, como ya se dijo anteriormente, de una admisión cilíndrica, un cono convergente, una garganta y un cono divergente. La entrada convergente tiene un ángulo incluido de alrededor de 21°, y el cono divergente de 7 a 8°. La finalidad d el cono divergente es reducir la pérdida global de presión en el medidor; su eliminación no tendrá efecto sobre el coeficiente de descarga. La presión se detecta a través de una serie de agujeros en la admisión y la garganta; estos agujeros conducen a una cámara angular, y las dos cámaras están conectadas a un sensor de diferencial de presión.
Funcionamiento de un tubo de Venturi En el Tubo de Venturi 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 ramificadores de presión 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. Utilizando las secciones 1 y 2 en la formula 2 como puntos de referencia, podemos escribir las siguientes ecuaciones:
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Estas ecuaciones son válidas solamente para fluidos incomprensibles, en el caso de los líquidos. Para el flujo de gases, debemos dar especial atención a la variación del peso específico D con la presión. La reducción algebraica de las ecuaciones 1 y 2 es como sigue:
Pero. Por consiguiente tenemos,
Se pueden llevar a cabo dos simplificaciones en este momento. Primero, la diferencia de elevación (Z1-Z2) es muy pequeña, aun cuando el medidor se encuentre instalado en forma vertical. Por lo tanto, se desprecia este termino. Segundo, el termino hl es la perdida de la energía del fluido conforme este corre de la sección 1 a la sección 2. El valor hl debe determinarse en forma experimental. Pero es más conveniente modificar la ecuación (3) eliminando h1 e introduciendo un coeficiente de descarga C.
La ecuación (4) puede utilizarse para calcular la velocidad de flujo en la garganta del medidor. Sin embargo, usualmente se desea calcular la velocidad de flujo del volumen.
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Puesto que, tenemos:
El valor del coeficiente e depende del número de Reynolds del flujo y de la geometría real del medidor. La figura 2 muestra una curva típica de e versus número de Reynolds en la tubería principal.
METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN La metodología empleada en esta investigación se basó en recopilar información bibliográfica e Internet y trabajo de campo, aunada a conocimientos previos y asesoramiento docente para la elaboración de éste proyecto.
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS Luego de la construcción artesanal del tubo Venturi se procedió a comprobar su funcionamiento obteniéndose así resultados esperados en los cuales la presión disminuía en el tramo de sección divergente, debido a la reducción del diámetro y debido a esto el aumento de la velocidad del fluido. Se determinó de igual manera el gasto por la diferencia de presión existente entre un punto en el tramo convergente y otro punto en la garganta del Venturi aplicando también el principio de Bernoulli.
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CONCLUSIONES Luego de haber realizado este proyecto se puede decir que el Tubo de Venturi es un dispositivo, el cual puede ser utilizado en muchas aplicaciones tecnológicas y aplicaciones de la vida diaria, en donde conociendo su funcionamiento y su principio de operación se puede entender de una manera más clara la forma en que este nos puede ayudar para solventar o solucionar problemas o situaciones con las cuales nos topamos diariamente. Es indispensable para la parte de diseño tener los conocimientos referidos al cálculo de un Tubo de Venturi, los cuales se pueden realizar haciendo la relación entre los distintos diámetros del tubo, como por ejemplo el de la entrada del tubo, la garganta y la salida del tubo; igualmente teniendo el conocimiento de el caudal que va a entrar en el mismo, o que se desea introducir para cumplir una determinada función (como la de crear vacío) y tomar muy en cuenta las presiones que debe llevar el fluido, ya que esto va a ser el factor más fundamental para que su función se lleve a cabo. Finalmente se puede decir que el Tubo de Venturi es un dispositivo que por medio de cambios de presiones puede crear condiciones adecuadas para la realización de actividades que nos mejoren el trabajo diario, como lo son sus aplicaciones tecnológicas.
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RECOMENDACIONES.
Debido a la experiencia obtenida en esta investigación y a sus resultados se recomienda:
•
Construir los medidores de caudales con diferentes tipos de material.
•
Realizar aplicaciones con diferentes tipos de fluidos (gases o líquidos) para comparar el comportamiento de los mismos.
•
Diseñar caudalimetros que no generen alto costo.
•
Divulgar los resultados obtenidos en esta investigación para futuros proyectos.
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