Estudio y Patronamiento de Medidores de Caudal en Conductos a Presión

ESTUDIO Y PATRONAMIENTO DE MEDIDORES DE CAUDAL EN CONDUCTOS A PRESIÓN.

INTRODUCCION Este Este proc proceso eso expe experi rime ment ntal al tien tiene e como como obje objetitivo vo prin princi cipal pal estud estudia iarr el efect efecto, o, funcio funcionam namien iento to y aplica aplicacio ciones nes de alguno algunoss elemen elementos tos medido medidores res de flujo, flujo, en especial un dispositivo llamado tubo de Venturi el cual consiste en un tubo para medir el gasto de fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad de tiempo, lo que permite aprovechar todas las condiciones que se presentan en el mismo, también se tratan elementos como rotámetros y diafragma que actualmente cuentan con la mayor precisión en la medición de fluidos.

!.= !.: ".: .= C 9

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A G

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B

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A# $%&'E() *)+ -E/0E$()1. B# ()$20E$(). C# 3-%4(%50%. D # V2'V6'% 3E *)+$()'. E # VE+$6(-. F # E(-''% %(% E7$(%E( %-(E. G# -+8E*$)( 3E %-(E %(% (E16(-%(. $ENTURI# $ENTURI# DIAFRAGMA# DIAFRAGMA#

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

=

φ $uber?a @ <;.>=mm φ 5arganta @ ;=mm @ <;.>=mm φ$uber?a @ !:mm φ )rificio

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E !9.:

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Válvula de control bombas 0edidor volumétrico

Banco Hidráuico.

M!dida" !n c#

MARCO TEORICO Tu%o" $&n'uri

4igura :.; ;B9=.

0edidor diferencial, tipo Vénturi. 0odificada de VennardA 1treet,

*onstan de tres partes principales, como se aprecia en la 4igura :. ;. 'a entrada de forma cónica convergente, entre secciones C;D y C!D. !. 'a garganta de forma cil?ndrica. <. El difusor de forma cónica divergente. Este elemento primario de medida se inserta en la tuber?a como un tramo de la misma, se instala en todo tipo de tuber?as mediante bridas de conexión adecuadas. El Venturi tiene una sección de entrada de diámetro igual al diámetro de conducción de la tuber?a a la cual se conecta. 'a sección de entrada conduce hacia un cono de convergencia angular fija, terminando en una garganta de un diámetro más reducido, se fabrica exactamente segn las dimensiones que establece su cálculo, la garganta se comunica con un cono de salida o de descarga con divergencia angular fija, cuyo diámetro final es habitualmente igual al de entrada. 'a sección de entrada está provista de tomas de presión que acaban en un racord anular, cuyo fin es el de uniformar la presión de entrada. Es en este punto donde se conecta a la toma de alta presión del transmisor la conexión de la toma de baja presión se realiFa en la garganta mediante un dispositivo similar, la diferencia entre ambas presiones sirve para realiFar la determinación del caudal. El tubo Venturi se fabrica con materiales diversos segn la aplicación de destino, el material más empleado es acero al carbono, también se utiliFa 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#

-

0enor pérdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la tobera de flujo, gracias a los conos de entrada y salida. 0edición de caudales superiores a un ":G a los obtenidos por el diafragma para la misma presión diferencial e igual diámetro de tuber?a.

-

El Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos primarios. 4acilidad para la medición de flujo de l?quidos con sólidos en suspensión

Cauda El caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una sección de un ducto Ctuber?a, caHer?a, oleoducto, r?o, canal,...D por unidad de tiempo.

Co!(ici!n'! d! )!ocidad El coeficiente de velocidad I*vJ es la relación entre, la velocidad media real en una sección recta de la corriente y la velocidad media ideal que se tendr?a sin roFamiento.

R!*nod" El nmero de (eynolds C(eD es un nmero adimensional utiliFado para caracteriFar el movimiento de un fluido.

P&rdida" +or con'racci,n Kstas pérdidas son las que se generan en el sistema, al empatar dos tuber?as de distinto diámetro.

Co!(ici!n'! -c Es el coeficiente de pérdidas por contracción de un estrechamiento en una tuber?a.

Co!(ici!n'! d! d!"cara El coeficiente de descarga es un factor adimensional caracter?stico del mecanismo, que permite calcular el caudal CLD.

Ecuacion!" n!c!"aria" +ara ! +roc!"a#i!n'o d! da'o"/

V R=

 Q  A 2

Pérdidas por contracción:

( )

2

 A 2  A 1

1−

hC =

(2 g ∆ h )

 K C ∗V  R

K = Cdi !2 "2g  K =C d∗ A ∗√ 2 g

2g

2

¿ V T = √ ¿

VR: velocidad real en la garganta VT: Velocidad teórica. VR Cv = 2

V  R∗ Diametro V  cinetica

(e# (eynolds

Coeficiente K C:

2

C V 

) ( ( ))

−1 ∗ 1−

 A 2  A 1

√ ( ) −

 A 2  A 1

2

2

$%&1'2$

c('s) Coeficiente del edidor: Ci =

hp ( h 1 – h 2)

h p i =h 1 – h 3

velocidad

(

Q p=C d  A 2∗√ 2 g

Pérdida de carga:

C)/ Coeficiente de

 K C =

C V 

Cd= proedio Cdi

(VR ) ∗(1 −( A 2 / A 1) ) ¿ ¿ ¿ Cv= √ ¿

1

# de patronaiento.

1

VT 

2

Coeficiente de descarga: C di=

h = h1 – h2

ℜ=

de

2

¿ ¿

∆

Coeficiente K Patronaiento:

PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS -nicialmente se procede a realiFar la observación de los elementos, guiada por la persona encargada del laboratorio. 1e identifican todos los dispositivos a utiliFar y se anotan las dimensiones de los elementos de medición (fig1).

Fig 1

*omo paso a seguir, se expulsa todo el aire que pueda estar contenido en el sistema, ayudados de la válvula de control de aire. 1e afora el caudal y se hace la lectura del caudal que indique el rotámetro. ara el mismo caudal se hace las lecturas pieFométricas h;, h!, h< del Vénturi, al igual que h", h> y h9 del diafragmaM se ubica la escala de litros y se empieFa a tomar el dato correspondiente en determinados intervalos de tiempo utiliFando el método dinámico. Este proceso se repite de forma completa para  caudales más. 'os resultados se presentan en las tablas mostradas a continuación

Ta%a 0. Da'o" r!co+iado" !n a +rác'ica

C!*+!,  /0

 /0

Tiempo (s)

0128: 0123:

Tiempo (s)

1

2

01233 01245 01267 08269 06244

3

01251 07283 0721: 4 0029: 08216 08276 !,T*R! P345TRC! 5  08239

h1 (mm) h2 (mm) 350 115 317 125 293 138 254 145 216 149

h3 (mm) 278 255 240 212 188

h6 (mm) 200 182 168 145 127

h7 (mm) 46 51 65 75 84

h8 (mm) 98 97 96 96 95

CALCULO DE CAUDALES   N° 

Tiempo (s)

Caudal (Lt/s) Vol/Tiempo

;<,99 ;<,>" ;<,! ;=,B ;,>>

 

0,360 

 

0,363

 

0,373

 

0,323

 

0,339

 

0,296 

3

;<,=: ;<,9: ;<,"<

 

0,290 

 

0,293

 

0,238 

4

;!,=9 ;!,<: ;;,B:

 

0,244

 

0,252 

;=,< ;=,!

 

0,196 

 

0,197 

;=,9B

 

0,189

1 2 

5 

N°  Obse!a"io#es

$a#%o de las obse!a"io#e s (L)

Caudal  (Lt/s)

3

5 

0,365

21,92

22,00  

2

5

0,331

19,84

20,00  

3

4

0,293

17,59

18,00  

3

3

0,245

14,69

15,00  

3

3

0,194

11,62

12,00  

$emperatura# !:,B Nc Viscosidad cinemática# 0,0097734

Caudal  (Lt/mi#)

Caudal  ot&meto (Lt/mi#)

1. Velocidad real en la garganta6 velocidad teórica6 coeficiente de velocidad Cv 7 Re7nolds Re N° 

Q (L/s)

Q 3

( cm

1

0,365

2

0,331

3

0,293

4

0,245

5

0,194

/s)

365,3333 33 330,6666 67 293,1666 67 244,8333 33 193,6666 67

Vreal (cm/s) 206,40301 32 186,81732 58 165,63088 51 138,32391 71 109,41619 59

Vteórica (cm/s) 220,3266594 199,1515693 178,9365121 150,0535821 117,6441997

CV 0,936804 53 0,938066 05 0,925640 51 0,921830 16 0,930060 27

Re 31678,28 18 28672,31 35 25420,66 5 21229,65 15 16792,95 78

094 094 093

C!

093 C! !s Re

092 092 091 10000

100000

Re"#$l%s

'as gráficas no son muy similares, esto se debe a que no hay una tendencia bien definida al aumento o disminución en el coeficiente de velocidad. ero si hay una tendencia al aumento de *v conrelación a (e si analiFamos la gráfica desde el segundo hasta el cuarto valor de cv. 3onde s? hay una tendencia clara a la disminución.

V/T*R N° 

' hc (cm) C$#tracció#

Ca&%al teóric$ 1 389,97818 0,13246664 7 2 352,49827 0,12955771 8 7 3 316,71762 0,15873023 6 4 0,16791333 265,59484 5 5 208,23023 0,14821952 4 7

' C%i c% atr$#amie#t $ 3,280836 75,36251239 0,961241 0,954752 21 69 49 2,621649 75,46399681 0,962536 82 12 2,592993 74,4644078 0,949786 99 46 1,928953 74,15787839 0,945876 91 7 1,046623 74,8199608 0,954321 28 5

+!8R!94! N° 

Re ' C%i c% 1 15023,12 90,72883 1,157237 1,147933

2 3 4 5

44 13597,57 25 12055,50 91 10067,96 07 7963,900 81

24 65 89,03713 1,135660 14 89,02507 1,135506 74 41 90,18574 1,150310 73 65 91,02004 1,160952 23

37

C% !s Re ia*ra+a 117 116 116 115 115 C% 114 114 113 113 112 5000

C% !s Re ia*ra+a

Re

C% !s Re Ve#t&ri 117 116 116 115 115 C% 114 114 113 113 112 5000

C% !s Re Ve#t& ri

Re

VENTURI

N°

Puntos experimental es

Q !m"#s $

1 2  ;

Curva de patronamie nto

Q % !m"#s & $ √ h 1 Qp∗(

;6>;? <6 26> ?@>  ?A221  ;6>1 A6 2?6@@ ?>A; ? 2?A;<  6@? 2@61 2@;6@ AA@ ? @<1 ; 2;;6> 6A1 2;?61  <1;> A??>

26<>> 1@6 1@6?< < ;<> ? ;111 2 VE+$6(N°

hi

1

7,2

2

6,2



5,3

;

4,2

<

2,8

% & √ h

;6>; ??@ @ ;6> 1?>A < 6@ ?AA @ 6A 1<1; > 26<> >;< >

ci 0,306382 98 0,322916 67 0,341935 48 0,385321 1 0,417910 45

400 350 300

*(-) . 7485-  0 R . 1

250 -erime#t$

Q (cm/s) 200

Li#ea r (-erime#t$)

150

atr$#amie#t$

100

Li#ea r ( atr$#amie#t$)

50 0

2 25 3 35 4 45 5

 h

 PREGUNTAS DE ANÁLISIS:

Qué relación tiene el tipo de flujo de acuerdo al número de Reynolds, con la velocidad del   fluido?

'as fuerFas de fricción tratan de introducir rotación entre las part?culas en movimiento, pero simultáneamente la viscosidad trata de impedir la rotación. 3ependiendo del valor relativo de estas fuerFas se pueden producir diferentes estados de flujo. *uando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerFa de inercia es mayor que la de fricción, las part?culas se desplaFan pero no rotan, o lo hacen pero con muy poca energ?a, el resultado final es un movimiento en el cual las part?culas siguen trayectorias definidas, y todas las part?culas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria. Este tipo de flujo se denomina I a#inar J, en este, las part?culas se desplaFan en forma de capas o láminas.  %l aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre part?culas vecinas al fluido, y estas adquieren una energ?a de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las part?culas cambian de trayectoria. %l pasar de unas trayectorias a otras, las part?culas chocan entre s? y cambian de rumbo en forma errática. Kste tipo de flujo se denomina OturbulentoO. ara nmeros de (eynolds bajos el flujo es laminar, y para valores altos el flujo es turbulento.

Qué relación se aprecia entre el coeficiente de descarga Cd y Re, cuando el flujo se hace turbulento?, tanto para el venturi como para el diafragma.

Para valores altos de Re6 el coeficiente de descarga taBién lo es6 en los dos casos. Cul de los dos dispositivos tiene mayores pérdidas?, por !ue?

El diafragma, porque el cambio de área para permitir el flujo cambia bruscamente. Que representa la relación del coeficiente de velocidad Cv y Re?

Esta relación es directamente proporcional, a mayor (e, 0ayor *vM esto a su veF porque el aumento de los (e determina el tipo de flujo a través de una tuber?a.

Cul es la precisión de medición del caudal en tubo ventury y diafragma?

El venturi es más preciso que el diafragma. Qué relación tienen las pérdidas de contracción en el t venturi y el caudal?

'as pérdidas ocasionan disminución en el caudal

CONCLUSIONES

-

El tubo venturi es más eficiente para medir la velocidad de un fluido por presiones diferenciales.

-

1i se disminuye el área de una tuber?a, la velocidad del fluido aumenta pero la presión disminuye.