Instituto Politécnico nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Ingeniería Química Industrial
Departamento Operaciones Unitarias
Laboratorio de Flujo de Fluidos
Practica: Determinación de los coeficientes de los medidores de flujo, Placa de Orificio, Vénturi y Calibración del Rotámetro.
Materia: Flujo de Fluidos.
Alumnos: Gress Martínez Mariana. Carmona Rodríguez Andrea. Heredia Limas Enrique. Magali Irvin Yair
Grupo: 2IM61
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL: Comparar los coeficientes de los medidores de placa de orifico y el Tubo Venturi experimentales con, los valores reportados en la bibliografía. OBJETIVOS PARTICULARES: a) Determinar las curvas de calibración del Medidor de Área Variable (rotámetro) para corroborar el gasto. b) Determinar los coeficientes de descarga de los Medidores Tubo Venturi y Placa de Orificio. c) Determinar la curva de calibración del Medidor de Flujo Magnético para corroborar el gasto. d) Comparar los resultados de la calibración del Rotámetro contra las especificaciones del proveedor. e) Analizar las ventajas y desventajas de cada uno de los medidores de flujo antes señalados.
INTRODUCCION
DISPOSITIVOS PARA MEDIR CAUDAL Y VELOCIDAD DE FLUIDOS DE MEDIDORES DE CAUDAL 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.
* TUBO VENTURI Es un tipo de boquilla especial, seguido de un cono que se ensancha gradualmente, accesorio que evita en gran parte la pérdida de energía cinética debido al rozamiento. Es por principio un medidor de área constante y de caída de presión variable. En la figura se representa esquemáticamente un medidor tipo Venturí. Un 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. 8Este fenómeno ocurre si la presión en alguna sección 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. * TUBO DE PITOT El tubo de Pitot, inventado por el ingeniero francés Henri Pitot en 1732, sirve para calcular la presión total, también llamada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica). Es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubería. El equipo consta de un tubo cuya abertura está dirigida agua arriba , de modo que el fluido penetre dentro de ésta y suba hasta que la presión aumente lo suficiente dentro del mismo y equilibre el impacto producido por la velocidad. El Tubo de Pitot mide las presiones dinámicas y con ésta se puede encontrar la velocidad del fluido, hay que anotar que con este equipo se puede verificar la variación de la velocidad del fluido con respecto al radio de la tubería (perfil de velocidad del fluido dentro de la tubería).
* ROTAMETROS Es un medidor de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. El Rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y diseñados para la medición y control de caudales, gases y líquidos. Fabricamos caudalímetros desde 1 ml/h hasta 1000000 lts/min. La unidad de lectura vendrá especificada en la unidad de preferencia del usuario (lts/h, g/min, mtr^3/h, scfh, lbm/min, scfm, etc, etc), es decir, lectura directa de caudal. Rangos operacionales diponibles: desde 0,5 ltrs/h de agua (0,01 mtr^3/h de aire), para tuberías de diametro 1/4" NPT, hasta 100000 ltrs/h de agua (3000 mtrs^3/h de aire) para tuberías de diametro 4". Para diametros de tubería mayores de 3", caudales hasta 10000000 ltrs/min, se usará el medidor de flujo de tipo area variable modelo "push botton". || Aquí se presenta un modelo de las especificaciones técnicas de un Rotámetro: El tubo medidor del tipo pyrex, está protegido por una carcasa protectora de acero inoxidable calidad 316. EL flotador medidor se desplaza verticalmente a lo largo de una varilla guía, razón por la cual pueden ser utilizados para medir fluidos de una alta viscosidad. Rotametros de seguridad con fabricación especial y a requerimientos específicos están disponibles. Los materiales usados son: Tubo medidor en vidrio borosilicato tipo pyrex. Conectores y partes internas en acero inoxidable 316. O-rines y empaques en teflón La longitud de la escala medidora se ofrece en variados tamaños: 230 mm, 330 mm, 100 mm, etc. La precisión es del 2% en full escala. * PLACA DE ORIFICIO La placa de orificio es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico ó segmentado y se fabrica de acero inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensión exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco depende del tamaño de la tubería y la temperatura de operación, en la cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presión, se coloca perpendicular a la tubería y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ángulo de 900 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chaflán de un ángulo de 45 grados por el lado de baja presión, el biselado afilado del orificio es muy importante, es prácticamente la única línea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, ó distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición, además, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su identificación, el lado de entrada, el número de serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presión alta y baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos. Placa de orificio, concéntrica, excéntrica y segmentada. Con las placas de orificio se producen las mayores perdidas de presión en comparación a los otros elementos primarios para medición de flujo más comunes, con las tomas de presión a distancias de 2 ½
y de 8 diámetros antes y/o después de la placa se mide la perdida total de presión sin recuperación posterior. Se mide la máxima diferencial posible con recuperación de presión posterior y, con tomas en las bridas se mide una diferencial muy cerca de la máxima, también con recuperación de presión posterior. La exacta localización de tomas de presión antes de la placa de orificio carece relativamente de importancia, ya que la presión en esa sección es bastante constante. En todas las relaciones de diámetros D/d comerciales. Desde ½ D antes de la placa en adelante hasta la placa, la presión aumenta gradualmente en una apreciable magnitud en relaciones d/D arriba de 0.5; debajo de ese valor la diferencia de presiones es despreciable. Pero sí en la toma de alta presión, la localización no es de mayor importancia, si lo es en la toma de baja presión, ya que existe una región muy inestable después de la vena contracta que debe evitarse; contracta”, en las columnas sombreadas de la figura siguiente, el flujo llega con una presión estática
que al pasar por el orificio, las pérdidas de energía de presión se traducen en aumentos de velocidad, en el punto de la vena contracta se obtiene el menor valor de presión que se traduce en un aumento de velocidad, en ese punto se obtiene la mayor velocidad. Más delante de la vena contracta, la presión se incrementa, se genera una perdida de presión constante que ya no se recupera, la diferencia de presión que ocasiona la placa de orificiopermite calcular el caudal, el cual es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión diferencial.
DESARROLLO
1.- Verificar que todas las válvulas del sistema estén cerradas 2.- Abrir las válvulas VG1 y VG2 para llenar el tanque de alimentación 3.- Abrir válvula VB1 localizada a la salida del tanque de alimentación 4.- Abrir válvulas de Retorno 5.- Abrir válvula VG3 parcialmente para la alimentación del tubo recto y línea de accesorios 6.- Abrir válvula de alimentación del tubo recto 7.- Purgar manómetros 8.-Fijar diferentes gastos con el rotámetro en cada tubo 9.-Tomar las diferencias de presión en cada toma de rotámetro
Tabla de datos experimentales TUBO VENTURI Por ciento de Rotámetro 100 80 60 40
Diferencia (m) 32.5 – 17 = .155 30 – 20 = .1 28 – 22 = .06 26.5 – 24 = .025
PLACA DE ORIFICIO Por ciento de Rotámetro 42 35 25
Diferencia (m) 29.8 – 34.7 = .049 25 – 29.5 = .045 18.5 – 22 = .035
Secuencia de Cálculos. Desarrollo de cálculos para el Rotametro Cálculos: A) Calculo del gasto volumétrico
Donde: Gv: Gasto volumétrico del agua [=] l/min D: Diámetro interior del tanque de alimentación [=] 1.165 m Dezplaciamiento del nivel del tanque de alimentación Tiempo transcurrido en desplazarce el nivel del tanque de alimentación 2 cm
b) Calculo del coeficiente de descarga del tubo Venturi (Cv)
Donde: Dgv = Diámetro de la garganta del Tubo Venturi [=] 0.0192 m di = Diámetrointerior de la tubería [=] 0.0508 m Av = Área de paso del tubo Venturi [=] Cv = Coeficiente de descarga del tubo Venturi [=] adimensional Gv = Gasto volumétrico del tubo Venturi [=] β = Relación del diámetro de la garganta del tubo Venturi entre el diámetro interior de la tubería [=]
adimensional g = constante de la aceleración de la gravedad [=] 9.81 s/ ΔH = Lectura del manómetro colocado del tuvo Venturi [=] m
= Densidad del liquido manométrico, en este caso CCl4 [=] kgf/ = Densidad del agua [=] kgf/
c) Calculo del coeficiente de descarga de la placa de orificio
Donde: Co = Coeficiente de descarga de la placa de orificio [=] adimensional Gv = Gasto volumétrico de la placa de orificio [=] Ao = Área del Orificio de la placa [=] Do = Diámetro del orificio de la placa .0225 g = constante de la aceleración de la gravedad [=] 9.81 s/
ΔH = Lectura del manómetro colocado del tuvo Venturi [=] m
= Densidad del liquido manométrico, en este caso CCl4 [=] kgf/ = Densidad del agua [=] kgf/
TABLAS DE RESULTADOS Y GRAFICAS
GASTOS VOLUMETRICOS CORRIDA 1 2 3 4 5 6 7
%R
100 80 60 40
28 s 34 s 36 s 58 s
L/min. 3.00*10 -4 3.32*10-4 3.13*10 -4 2.95*10-4 2.8*10 -4 2.21*10-4 1.83*10 -4
GASTOS VOLUMETRICOS 120 100 80 60 40 20 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
TUBO VENTURI % Rotámetro Tiempo 100 28 80 34 60 38 40 58 s
Gv .0789 .0560 .0495 .0380 Lt/min
ΔH
.155 .1 .06 .025 M
Cv .000755 .000933 .000825 .000633
Co .03717 .05719 .06529 .07761
Cv Vs Gv
0.001 0.0009 0.0008 0.0007 0.0006 0.0005 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 0 0
20
40
60
80
100
120
100
120
Co Vs Gv
0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0
20
40
60
80
PLACA DE ORIFICIO % Rotámetro Tiempo 42 1.02 35 1.25 25 1.35 min
Gv .0179 .0146 .0135 Lt/min
ΔH
.049 .045 .035 M
Cv .000298 .000243 .000225
Co .99939 .85038 .89282
Co Vs Gv
0.02 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
Cv Vs Gv
0.02 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 0
0.00005
0.0001
0.00015
0.0002
0.00025
0.0003
0.00035
CONCLUSIONES Los datos de los coeficientes obtenidos en la práctica son considerables con respecto a los datos bibliográficos, considerándose que las pérdidas de carga singulares son proporcionales a la energía cinética del flujo, tomando como referencia la entrada del elemento. Los datos se respaldan en la grafica de Gasto Volumétrico, en la cual la variación del porciento de rotámetro, Tubo Vénturi y Placa de Orificio, con respecto al gasto volumétrico tiende a aumentar, teniendo así que a mayor porcentaje de rotámetro mayor gasto volumétrico. Gress Martínez Mariana.
BIBLIOGRAFIA
* Introducción a al Mecánica de Fluidos Bonifacio Fernández L. Segunda Edición Alfa omega
* Mecánica de Fluidos Antonio Crespo Martínez. E.T.S.I Industriales Universidad Politécnica De Madrid Editorial Thompson
