INFORMEMEDICION DE CAUDAL EN FLUJOS INCOMPRESIBLES

JASBLEIDY JOHANNA NIO URIBEJEFFREY FERNANDO LOPEZ RINCONJOHN MAURICIO ENTRALGO NEIRAESTUDIANTES

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERA METALRGICABUCARAMANGA2014

MEDICION DE CAUDAL EN FLUJOS INCOMPRESIBLES

JHON MAURICIO ENTRALGO NEIRAJASBLEIDY JOHANNA NIO URIBEJEFFREY FERNANDO LOPEZ RINCONESTUDIANTES

PRACTICA N 3: MEDICION DE CAUDAL EN FLUJOS INCOMPRESIBLES

JHON FREDDY PALACIOSPROFESOR

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERA METALRGICABUCARAMANGA 2014INTRODUCCIN

En la industria es muy importante la eficiencia y los costos por eso cuando hablamos del caudal de un fluido es muy importante saber con precisin cuanto es este gracias a la tecnologa tenemos diversos dispositivos para medir el caudal en una tubera dependiendo del medio donde se est trabajando.Un pionero en los dispositivos para medir el caudal fue el fsico e inventor italiano Giovanni Venturi fue el inventor del tubo que lleva su nombre que es un dispositivo para medir el gasto de una tubera por un fluido.

Objetivos

Objetivos generales: Aprender a calcular el caudal de un fluido mediante la forma prctica-terica.

Analizar la importancia del valor del caudal, con el fin de maximizar el uso de fluidos en la industria.

Objetivos especficos:

Analizar el comportamiento de los fluidos cuando son sometidos a una diferencia de presin. Qu caracteriza a un fluido incompresible?

Conocer acerca de los diferentes medidores de caudal. Qu ventajas y desventajas me brinda cada uno de estos?

Marco terico

Es importante saber que esta prctica se realiz con un fluido incompresible cuyo aspecto ms interesante es que su densidad no vara durante el recorrido dentro de la tubera si no fuera as esta prctica sera muy diferente ya que como veremos ms adelante el caudal est relacionado con la velocidad media del fluido y est relacionada con la densidad .

Flujo incompresible: Un fluido incompresible es cualquier fluido cuya densidad siempre permanece constante con el tiempo, y tiene la capacidad de oponerse a la compresin del mismo bajo cualquier condicin. Esto quiere decir que ni la masa ni el volumen del fluido pueden cambiar. El agua es un fluido casi incompresible, es decir, la cantidad de volumen y la cantidad de masa permanecern prcticamente iguales, an bajo presin. De hecho, todos los fluidos son compresibles, algunos ms que otros. La compresin de un fluido mide el cambio en el volumen de una cierta cantidad de lquido cuando se somete a una presin exterior.Por esta razn, para simplificar las ecuaciones de la mecnica de fluidos, se considera que los lquidos son incompresibles. En trminos matemticos, esto significa que la densidad de tal fluido se supone constante

Ecuacin de continuidad: Ecuaciones de continuidad y de Navier-Stokes en coordenadas cartesianasLa ecuacin de continuidad y la ecuacin de Navier-Stokes se expanden en coordenadas cartesianas (x, y, z) y (u, v, w): Ecuacin de continuidad de flujo incompresible:

Componente x de la ecuacin de Navier-Stokes de flujo incompresible:

Componente y de la ecuacin de Navier-Stokes de flujo incompresible:

Componente Z de la ecuacin de Navier-Stokes de flujo incompresible:

Ecuaciones de continuidad y de Navier-Stokes en coordenadas cilndricasLa ecuacin de continuidad y la ecuacin de Navier-Stokes se expanden en coordenadas cilndricas (r, , z) y (ur, u, uz):Ecuacin de continuidad de flujo incompresible:

Componente r de la ecuacin de Navier-Stokes de flujo incompresible:

Componente de la ecuacin de Navier-Stokes de flujo incompresible:

Componente z de la ecuacin de Navier-Stokes de flujo incompresible:

Los trminos adicionales en ambos lados de las componentes r y de la ecuacin de Navier-Stokes surgen debido a la naturaleza especial de las coordenadas cilndricas. De esta manera, conforme se mueve en la direccin , el vector unitario er, tambin cambia de direccin; por lo tanto, las componentes r y se acoplan.A continuacin, citaremos las seis componentes independientes del tensor de esfuerzo viscoso en coordenadas cilndricas:

Ecuacin de Bernoulli:

Si el fluido es compresible y un gas ideal, las presiones esttica y de estancamiento tenemos que.

Medidores de cabeza variable: El principio bsico de estos medidores es que cuando una corriente de fluido se restringe, su presin disminuye por una cantidad que depende de la velocidad de flujo a travs de la restriccin, por lo tanto la diferencia de presin entre los puntos antes y despus de la restriccin puede utilizarse para indicar la velocidad del flujo. Los tipos ms comunes de medidores de cabeza variable son el tubo venturi, la placa orificio y el tubo de flujo.

Tubo venturi: El Tubo de Venturi: es un dispositivo que origina una prdida de presin al pasar por l un fluido. En esencia, ste es una tubera corta recta, o garganta, entre dos tramos cnicos. La presin vara en la proximidad de la seccin estrecha; as, al colocar un manmetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la cada de presin y calcular el caudal instantneo, o bien, unindola a un depsito carburante, se puede introducir este combustible en la corriente principal.

Medidor de platina orificio: Cuando una placa se coloca en forma concntrica dentro de una tubera, esta provoca que el flujo se contraiga de repente conforme se aproxima al orificio y despus se expande de repente al dimetro total de la tubera. La corriente que fluye a travs del orificio forma una vena contracta y la rpida velocidad del flujo resulta en una disminucin de presin hacia abajo desde el orificio.El valor real del coeficiente de descarga C depende de la ubicacin de las ramificaciones de presin, igualmente es afectado por las variaciones en la geometra de la orilla del orificio. El valor de C es mucho ms bajo que el del tubo venturi o la boquilla de flujo puesto que el fluido se fuerza a realizar una contraccin repentina seguida de una expansin repentina.

Rotmetro: El rotmetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cnico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el rea anular entre l y la pared del tubo sea tal, que la cada de presin de este estrechamiento sea lo suficiente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio (para presiones bajas; y de metal para presiones altas) y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posicin del flotador indica el gasto o caudal.

Frmulas utilizadas:

Caudal terico: Q:

Caudal experimental:

Caudal tubo Venturi: Qv: *(db)^2*

Caudal platina orificio: Cd**(df)^2*

Caudal de rotmetro: Q: 0,1597x-2,3079

Diagramas de flujo.

Anlisis de resultado

1. explique brevemente lo que sucede con el flujo en cada elemento de medicin de caudal (tubo Venturi, platina de orificio y rotmetro) y haga un dibujo respectivo?En el tubo Venturi el fluido pasa de un conducto mayor rea a uno de menor rea por medio de un conducto de seccin menor lo que causa un aumento en la velocidad del fluido y disminuye la presin de este como se puede ver en la tabla de datos a una mayor altura se obtiene un mayor caudal y este al pasar por la seccin de Venturi aumenta su velocidad pero disminuye que causa el fluido sobre las paredes del tubo Venturi.

En la parte del banco donde flujo pasa a travs de la platina orificio disminuye su rea de paso hasta un valor mnimo el flujo llega con una presin esttica lo cual conlleva una prdida de energa de presin ya que esta llega a su mnimo al pasar por el orificio lo que se traduce a el mayor valor de la velocidad durante su recorrido por la tubera gracias a la perdida de presin que no recupera por medio de las diferencias de presin se puede calcular el caudal.

En el Rotmetro tiene una escala gradualmente relacionada con el caudal del fluido de una forma lineal el fluido mantiene al rotmetro en una posicin determinada para un caudal dado que es conocido por la escala del tubo del rotmetro el fluido pasa a travs del rotmetro dependiendo del caudal y es la diferencia de presin de la restriccin del rea que permanece constante el flotador esta en equilibrio entre su peso , la fuerza de arrastre del fluido y la fuerza de empuje del fluido sobre el flotador. El caudal depende del peso especfico del lquido, de su viscosidad y de los valores de la seccin interior del tubo, ya que la misma cambia segn sea el punto de equilibrio del flotador.

2. compare los caudales en cada elemento con el caudal terico calculado en el anlisis gravimtrico y calcule el % de error dcada uno. Explique las posibles que generan el error?Prueba Qterico(L/s)QRotmetro(L/s)QVenturi (L/S)QPlatinaorificio(L/s)Porcentaje de error (%)

RotmetroVenturiplaca

10.1060.0940.1200.11711.3112.23.77

20.2140.2260.2350.2235.609.84.20

30.3910.3540.3670.3568.186.137.92

Como sabemos cada medidor de caudal funciona de una manera diferente ya que como podemos ver que al ir aumentando la altura del rotmetro disminuye el porcentaje de error del tubo Venturi pero aumenta el porcentaje de error de la placa con orificio ya que los instrumentos tienen diferente sensibilidad a la cada de presin es por eso que a nivel industrial para caudales con gran salida de presin se usa poco la placa y orificio por su limitado uso de fluidos a altas presiones pero a nivel global este medidor es el preferido para fluidos con menor presin por su bajo costo comparado con otros medidores en cuanto al tubo Venturi tiene un rango mayor al desgaste que otros medidores de industriales; pero cabe destacar la importancia que tiene el desgaste de los dispositivos al medir el caudal ya que puede provocar que aparezcan errores significativos a la toma de datos otra razn seria que el fluido tenga partculas que provoquen baches en el recorrido como del fluido.

3. Cul de los medidores presenta mayor cada de presin explique?El medidor de placa orificio es el dispositivo ms utilizado en la industria presenta una cada de presin no recuperable por lo que es el medidor de caudal con mayor cada de presin esto se debe a la pequea seccin transversal que tiene el orificio y por la turbulencia que se genera alrededor del orifico esta cada de presin nunca se recuperara y la diferencia de presin es muy grande.

4.Cul medidor presenta mayor recuperacin de presin? El medidor de caudal que presenta una mayor recuperacin de presin es el medidor de Venturi y es por la presin que precede al cono de entrada se transmite a travs de mltiples aberturas a una abertura anular llamada anillo piezomtrico. De modo anlogo, la presin en la garganta se transmite a otro anillo piezomtrico y el recupera algo de presin por la forma del cono divergente que desacelera la corriente del fluido ocasionando una perdida solo entre el 10 y 20 por ciento de la cada de presin es La finalidad del cono divergente es reducir la prdida global de presin en el medidor; su eliminacin no tendr efecto sobre el coeficiente de descarga. La presin se detecta a travs de una serie de agujeros en la admisin y la garganta; estos agujeros conducen a una cmara angular, y las dos cmaras estn conectadas a un sensor de diferencial de presin.

5. Enuncie algunas aplicaciones de los medidores de caudal en la industria y explique por son importantes.Tubo de Venturi:Aplicaciones

Hidrulica: La depresin generada en un estrechamiento al aumentar la velocidad del fluido, se utiliza frecuentemente para la fabricacin de mquinas que proporcionan aditivos en una conduccin hidrulica. Es muy frecuente la utilizacin de este efecto "Venturi" en los mezcladores del tipo Z para aadir espumgeno en una conduccin de agua para la extincin. Aeronutica: Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentacin producida en alas de aviones, este efecto realmente no puede explicar la sustentacin area, pues un perfil alar no acta como un tubo de Venturi acelerando las partculas de aire: las partculas son aceleradas debido a la conservacin de la energa (se explica mediante el principio de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor velocidad al pasar por la regin ms convexa del ala de un avin), la conservacin del momento (se utiliza la tercera ley de Newton para su explicacin) y de la masa (se utilizan las Ecuaciones de Euler). Tambin intervienen otros efectos relacionados con la viscosidad del aire que pueden ser explicados con las Ecuaciones de Navier-Strokes. Adems, se utiliza este tubo para proveer succin a los instrumentos que trabajan con vaco, (Coordinador de giro, Horizonte artificial, etc.) en los aviones que no estn provistos de bombas mecnicas de vaco. Motor: el carburador aspira el carburante por efecto Venturi, mezclndolo con el aire (fluido del conducto principal), al pasar por un estrangulamiento. Hogar: En los equipos purificadores de agua, se utiliza un pequeo tubo Venturi para efectuar una succin del ozono que se produce en un depsito de vidrio, y as mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con la idea de destruir las posibles bacterias patgenas y de desactivar los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfeccin con cloro. Tubos de Venturi: Medida de velocidad de fluidos en conducciones y aceleracin de fluidos. Acuarofilia: En las tomas de bombas de agua o filtros, el efecto Venturi se utiliza para la inyeccin de aire y/o CO2. Neumtica: Para aplicaciones de ventosas y eyectores. Cardiologa: El efecto Venturi se utiliza para explicar la regurgitacin mitral que se puede dar en la miocardiopata hipertrfica, y que es causa de muerte sbita en deportistas. La explicacin es que el movimiento sistlico anterior (MSA) que realiza la valva anterior de la vlvula mitral, se produce porque la hipertrofia septal y el estrechamiento del tracto de salida provocan una corriente de alta velocidad sobre la v. mitral, que debido al efecto Venturi, succiona el extremo de la valva anterior contra el septo, que impide la salida de sangre, por lo que regurgita hacia la aurcula izquierda. Neumologa: El efecto Venturi se utiliza en mscaras para la administracin de concentraciones exactas de oxgeno, para controlar la FiO2; se denominan mscaras de Venturi o Ventimask. El oxgeno al 100% suministrado durante cierto periodo de tiempo es txico, por lo que se mezcla con aire externo cuya concentracin de oxgeno es del 21%, de modo que en funcin de la cantidad de aire que se mezcle con el oxgeno al 100%, la concentracin de oxgeno ser mayor o menor, normalmente se suministra entre un 26%-50%. El oxgeno puro al pasar por el conducto con un calibre menor, se produce el efecto Venturi, se genera una presin negativa que permite la entrada del aire procedente del exterior a travs de unos orificios circundantes, dependiendo del tamao de los orificios, entra ms o menos aire y por tanto menor o mayor concentracin de oxgeno que finalmente el paciente recibir. Odontologa: el sistema de aspiracin de saliva en los equipos dentales antiguos utilizaban tubos finos Venturi. Ahora la aspiracin est motorizada

Placa orificio:

Aplicaciones Se utiliza para la medicin diferencial de presin en gases, vapores, fluidos corrosivos y no corrosivos. La placa de orificio con punto de extraccin se utiliza en la medicin de presin para la medicin de flujos agresivos.

Rotmetro

Aplicaciones . Rotmetro de purga: Se utilizan para caudales pequeos, en sus aplicaciones se destaca la purga hidrulica de sellos mecnicos en bombas, la medicin por burbujeo, la purga de elementos de presin diferencial entre algunas. Rotmetro de vidrio: Adoptan distintas disposiciones como: llevar placas laterales, sellamiento con ventanas de cristal para observar el tubo, disponen de armadura de seguridad y de anti-hielo con gel de slice para evitar la humedad, entre algunas cosas. Rotmetro Bypass: Es un medidor de caudal de fluido, por lo tanto no de la presin diferencial, la escala de medida de este rotmetro es lineal y no de raz cuadrada como se podra suponer siendo el elemento de medida un diafragma. Transductores elctricos: Se acoplan a rotmetros y pueden ser de varios tipos: Potenciomtrico: Consiste en una varilla que sigue magnticamente el movimiento del flotador dentro de un tubo y que mueve el brazo de un potencimetro. El sistema presenta la desventaja del envejecimiento y desgaste caractersticos del potencimetro. Puente de impedancias: Consiste en un mecanismo de indicacin actuado magnticamente, un activo de un transformador diferencial de ncleo mvil y un convertidor. Al variar el caudal, un imn montado en el flotador o en la varilla de extensin del mismo hace girar un mecanismo magntico de posicin formado por una hlice de hierro dispuesta en un cilindro de aluminio. Una leva de forma caracterstica gira con el conjunto y se introduce dentro del arrollamiento transformador diferencial. Transmisores neumticos: Acoplados al rotmetro consisten en una leva que sigue el movimiento del flotador de manera magntica y est entre 2 toberas neumticas.(tobera forma parte de transmisor de equilibrio).

Conclusiones

Se logr establecer que el medidor de caudal ptimo para usos industriales en los cuales se presentan presiones y caudales altos, la mayor exactitud la permite el tubo Venturi, mientras que para caudales bajos el medidor ms eficaz es la platina orifico. Sin embargo el ms utilizado en la industria es la platina orificio debido a su bajo costo.

Se logr comprobar que las recuperaciones y prdidas de presin estn directamente relacionadas con la disminucin del rea transversal de los medidores de caudal.

Durante la prctica se logr apreciar que a medida que aumentamos el flujo volumtrico, la velocidad media del fluido aumentara proporcionalmente, lo que causaba que el sistema se equilibrara en un menor tiempo cuando se trabaj con el caudal mximo.

Se obtuvo un mayor conocimiento prctico-terico sobre las diferentes herramientas utilizadas para la medicin del flujo volumtrico.

Se logr realizar un anlisis de cada medidor de caudal, con el objetivo de utilizar el ms apropiado en relacin al uso que se necesita.

Bibliografa

Y. A. Cengel y J. M. Cimbala, Mecnica de Fluido: fundamentos y aplicaciones.5. ed., Nueva York: McGraw Hill, 2006. R. W. Fox y A.T. McDonaldt, introduccin a la mecnica de fluidos.5. ed., Nueva York: Wiedy, 1999. F. M. White, Fluid mechanics, 5. Ed., Nueva York: McGraw Hill, 2003.