Flujo Volumetrico a Travez de Un Orificio

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE

Laureate International Universities FACULTAD DE INGENIERÍA Carrera de Ingeniería Civil

CURSO:

Mecánica de Fluidos TEMA:

Flujo Volumétrico a través de un Orificio

PRESENTADO POR:

Ayala Barrantes, Alisson Pamela. Alvarado Bolaños, Juan Fernando.

CAJAMARCA - PERÚ 2016

TABLA DE CONTENIDOS I.

OBJETIVOS: ....................................................................................................................... 1

II.

MARCO TEÓRICO: ........................................................................................................... 1 2.1.

Principales medidores de Presión Diferencial ................................................. 1

2.2.

Placas de Orificio ..................................................................................................... 1

2.3.

Toberas ....................................................................................................................... 2

2.4.

Tubo de Venturi ........................................................................................................ 3

2.5.

Tubo Pitot ................................................................................................................... 4

III.

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES. ..................................................... 6

IV.

METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS: .................................................................. 6

V. TOMA DE DATOS. ............................................................................................................ 9 VI.

RESULTADOS: ............................................................................................................ 10

VII.

CONCLUSIONES ......................................................................................................... 12

VIII.

RECOMENDACIONES: .............................................................................................. 12

IX.

ANEXOS: ....................................................................................................................... 12

Ilustración 1: Perfiles de Orificio ................................................................................................... 2 Ilustración 2: Toma de presiones alternativas .............................................................................. 2 Ilustración 3: Perfil de Tubo de Venturi clásico ............................................................................. 3 Ilustración 4: Combinación Venturi - Tobera ................................................................................ 3 Ilustración 5: Comparación entre diferentes dispositivos de presión diferencial con respecto a la recuperación de la presión ........................................................................................................ 4 Ilustración 6: Tubo de Pitot en su forma más sencilla .................................................................. 4 Ilustración 7: Tubo de Pitot Clásico ............................................................................................... 5 Ilustración 8: Imagen midiendo el Radio del Cuadrante ............................................................... 6 Ilustración 9: Medida del Radio del Cuadrante............................................................................. 7 Ilustración 10: Imagen midiendo la base del cuadrante ............................................................... 7 Ilustración 11: Medida de la base del cuadrante .......................................................................... 7 Ilustración 12: Pesa colocada al inicio de la regla ......................................................................... 7 Ilustración 13: Imagen nivelando el tubular ................................................................................. 8 Ilustración 14: Imagen de las Válvulas cerradas. .......................................................................... 8 Ilustración 15: Imagen Llenando con agua el estanque ................................................................ 8 Ilustración 16: Imagen midiendo el valor de h .............................................................................. 8 Ilustración 17: Imagen nivelando con la pesa. .............................................................................. 9 Ilustración 18: Imagen del tubular nivelado con la pesa .............................................................. 9 Ilustración 19: Imagen midiendo el valor del brazo. ..................................................................... 9 Ilustración 20: Imagen midiendo la temperatura del colegio. .................................................... 12 Ilustración 21: Imagen realizando la segunda medida de la base del cuadrante ....................... 12 Ilustración 22: Imagen cuando el valor de h es 9 cm .................................................................. 13 Ilustración 23: Imagen cuando el valor de h es 10 cm ................................................................ 13

MECÁNICA DE FLUIDOS

MEDICIÓN DE CAUDALES I.

OBJETIVOS: -

Determinar el coeficiente de descarga de un orificio. Determinar el coeficiente de velocidad de un orificio.

II.

MARCO TEÓRICO:

2.1.

Principales medidores de Presión Diferencial

Entre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes: placas de orificio, toberas, tubos Venturi, tubos Pitot, tubos Annubar, codos, medidores de área variable, medidores de placa. Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio. Las principales ventajas de dichos medidores son: -

Su sencillez de construcción, no incluyendo partes móviles. Su funcionamiento se comprende con facilidad. No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores. Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.

Sus principales desventajas son: -

-

2.2.

La amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores. Pueden producir pérdidas de carga significativas. La señal de salida no es lineal con el caudal Deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que, según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes. Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas. La precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.

Placas de Orificio

La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería. El orificio de la placa, como se muestra en la figura 1, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmental. Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente, un pequeño orificio de purga. FLUJO VOLUMÉTRICO A TRAVÉS DE UN ORIFICIO

1

MECÁNICA DE FLUIDOS Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

Ilustración 1: Perfiles de Orificio

Para captar la presión diferencial que origina la placa de orificio, es necesario conectar dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. La disposición de la toma, según se muestra en la figura, puede ser: en las bridas, en la vena contraída, y en la tubería.

Ilustración 2: Toma de presiones alternativas

Las tomas en la brida se usan para tamaños de tubería de 2 in (50,8 mm) o superiores. En el caso de las tomas en la vena contraída, la toma antes de la placa se sitúa a 1 in (25,4 mm) de distancia de la placa, mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de mínima presión, donde la vena alcanza su diámetro más pequeño. Las tomas en la tubería se sitúan a 2 ½ y 8 diámetros de tubería respectivamente, antes y después de la placa de orificio.

2.3.

Toberas

La tobera presenta una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilíndrico, siendo el coeficiente de descarga similar al del tubo Venturi. Sin embargo, la

FLUJO VOLUMÉTRICO A TRAVÉS DE UN ORIFICIO

2

MECÁNICA DE FLUIDOS caída de presión es del mismo orden que en la placa de orificio, para el mismo caudal y con el mismo tamaño de tubería.

2.4.

Tubo de Venturi

En la figura se puede apreciar la disposición de las tomas de presión para determinar la presión diferencial.

Ilustración 3: Perfil de Tubo de Venturi clásico

Como se aprecia en la figura se pueden destacar tres partes fundamentales: a) una sección de entrada cónica convergente en la que la sección transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminución de la presión. b) una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante. c) una tercera sección de salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. La incorporación de esta sección de salida permite una recuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y, por t anto, un ahorro de energía. Con el fin de reducir las pérdidas de carga causadas por una tobera, puede acoplarse a continuación de la tobera una sección divergente similar a la utilizada para un tubo Venturi, resultando una combinación que se denomina Venturi-tobera, como se muestra en la siguiente figura, donde se pueden apreciar la toma de presiones.

Ilustración 4: Combinación Venturi - Tobera


3

MECÁNICA DE FLUIDOS En la ilustración 5 se muestra una comparación entre varios elementos de presión diferencial con respecto a la recuperación de la presión.

Ilustración 5: Comparación entre diferentes dispositivos de presión diferencial con respecto a la recuperación de la presión

Las principales limitaciones de los tubos Venturi son su elevado coste y la longitud necesaria para su instalación, sobre todo para grandes tamaños de tubería. Sin embargo, debido a su baja pérdida de carga, son justificados en casos donde tienen que bombearse grandes cantidades de líquido de forma continua. Cuando la pérdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor coste y mayor facilidad de instalación y mantenimiento.

2.5.

Tubo Pitot

El tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial y también conocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. En la ilustración 6 se muestra, en su forma más sencilla, un pequeño tubo con la entrada orientada en contra del sentido de la corriente del fluido. La velocidad del fluido en la entrada del tubo se hace nula, al ser un punto de estancamiento, convirtiendo su energía cinética en energía de presión, lo que da lugar a un aumento de presión dentro del tubo de Pitot.

Ilustración 6: Tubo de Pitot en su forma más sencilla


4

MECÁNICA DE FLUIDOS En la práctica se emplea un diseño, como se muestra en la ilustración 7, con dos tubos concéntricos, el interior que actúa de tubo de Pitot y el exterior como un medio de medir la presión estática.

Ilustración 7: Tubo de Pitot Clásico

Los tubos de Pitot son instrumentos sencillos, económicos y disponibles en un amplio margen de tamaños. Si se utilizan adecuadamente pueden conseguirse precisiones moderadas y, aunque su uso habitual sea para la medida de la velocidad del aire, se usan también, con la ayuda de una técnica de integración, para indicar el caudal total en grandes conductos y, prácticamente, con cualquier fluido. Probablemente la principal desventaja sea su dificultad para medir bajas velocidades del aire. Para líquidos quizás el principal problema sea la rotura de la sonda.

2.6.

Tubo Annubar

El tubo Annubar es una innovación del tubo de Pitot, se aprecia un tubo exterior, situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería, y dos tubos interiores. El tubo exterior presenta cuatro orificios en la cara aguas arriba de la corriente, que se utilizan para interpolar los perfiles de velocidad y realizar un promedio, y otro orificio en el centro del tubo pero en la cara aguas abajo de la corriente. De los dos tubos que están en su interior, uno sirve para promediar las presiones obtenidas en los cuatro orificios, midiendo la presión total, mientras que el otro tubo, que se encuentra en la parte posterior, mide la presión estática en el orificio central aguas abajo de la corriente. Existen diferentes tipos de tubos Annubar, cuya selección depende del tamaño de la línea y su aplicación. El tubo Annubar tiene mayor precisión que el tubo de Pitot, así como una baja pérdida de carga, utilizándose para la medida de pequeños y grandes caudales de fluidos.

2.7.

Codos

Cuando un fluido circula por el codo de una tubería, está sujeto a una aceleración angular. La fuerza centrífuga resultante crea una presión diferencial entre el radio interior y el radio exterior. La raíz cuadrada de esta presión diferencial es proporcional al caudal, siendo la base fundamental de estos medidores de


5

MECÁNICA DE FLUIDOS caudal. En la ilustración 8 se muestra un codo con las tomas de alta y baja presión.

Ilustración 8: Toma de Presión en un codo

Las tomas en el codo presentan la ventaja de que como la mayoría de las configuraciones de tuberías tienen codos, pueden situarse en ellos las tomas de presión. Esto permite una instalación económica, sin pérdidas de presión, y sin introducir obstrucciones en la línea. Debe ponerse especial cuidado para alinear los orificios de las tomas de presión en ambos planos. Si el codo esta calibrado, su precisión puede ser comparable a la de una placa de orificio.

2.8.

Medidores de Área Variable

Los medidores de área variable funcionan sobre la base de mantener una presión diferencial constante, permitiendo aumentar el área eficaz de flujo con el caudal. Existen varios tipos de medidores de orificio variable, pero el más utilizado es el que está formado por un tubo cónico de eje vertical y un flotador. Como se muestra en la figura 12, el fluido circula en sentido ascendente por el tubo desplazando un flotador que, habitualmente, lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire, proporcionándole la estabilidad y efecto de centrado necesario. Esta rotación es la que ha dado origen al nombre de rotámetro.

III.

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y MATERIALES.

IV.

METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS:

1. Medimos el radio del cuadrante (R), este procedimiento se realiza tres veces.

Ilustración 9: Imagen midiendo el Radio del Cuadrante


6


Ilustración 10: Medida del Radio del Cuadrante

2. Medimos la base del cuadrante (B), este procedimiento se realiza tres veces.

Ilustración 11: Imagen midiendo la base del cuadrante

Ilustración 12: Medida de la base del cuadrante

3. Colocamos la pesa al inicio de la regla.

Ilustración 13: Pesa colocada al inicio de la regla


7

MECÁNICA DE FLUIDOS 4. Nivelamos el tubular del cuadrante.

Ilustración 14: Imagen nivelando el tubular

5. Cerramos las válvulas de vaciado del tanque.

Ilustración 15: Imagen de las Válvulas cerradas.

6. Llenamos con agua el estanque, de modo que se genere una fuerza hidrostática, este procedimiento se realiza 4 veces.

Ilustración 16: Imagen Llenando con agua el estanque

7. Medimos el valor de h, paso que se realiza 4 veces.

FLUJO VOLUMÉTRICO A TRAVÉS DE UN ORIFICIO Ilustración 17: Imagen midiendo el valor de h

8


Medida Nº 1 2 3 Promedio

Base (B) m 0.074 0.0745 0.0735 0.0740

Radio ( R ) m 0.252 0.253 0.252 0.2523

8. Nivelamos con la pesa el valor de la fuerza hidrostática.

Ilustración 18: Imagen nivelando con la pesa.

Ilustración 19: Imagen del tubular nivelado con la pesa

9. Medimos el valor del brazo de la pesa.

Ilustración 20: Imagen midiendo el valor del brazo.

V.

TOMA DE DATOS.

Radio (m) Base (m) T (ºC) Peso (N)


0.2523 0.074 18.8 4.021

9794.8

9


Medida Nº 1 2 3 4

VI.

Profundidad (h) m h/2 0.1 0.05 0.09 0.045 Medida Nº 0.04 0.08 1 0.07 0.035 2 3 4

RESULTADOS:

h/3 0.0333 0.0300 Dcpe0.0267 0.2940.0233 0.213 0.244 0.208

Brazo de la Pesa (L) m 0.265 0.1555 0.1409 0.0919

2 Medida Nº 1 2 3 4

Pprom 489.74 440.766 391.792 342.818

A= B * h Medida Nº 1 2 3 4

Área 0.0074 0.0067 0.0059 0.0052

Fr = Prom * A Medida Nº 1 2 3 4

Fr 3.6241 2.9355 2.3194 1.7758

Momento debido a la Fuerza Hidrostática


10


Medida Nº 1 2 3 4

Medida Nº 1 2 3 4

Mfh 1.0656 0.6253 0.5666 0.3695

Mw 1.0656 0.6253 0.5666 0.3695

Medida Nº 1 2 3 4

Dcpt 0.219 0.222 0.226 0.229

Medida Nº 1

E% 25.528


11

MECÁNICA DE FLUIDOS 2 3 4 Promedio

-4.366 7.629 -10.031 5.291

VII. CONCLUSIONES: -

Se corroboro el cambio de presiones obteniéndose un error de 4.69%

VIII. RECOMENDACIONES: 

Capturar fotografías de los equipos utilizados, para contrastar datos anotados.



IX.

ANEXOS: -

Se anexa hoja con datos tomados en laboratorio, firmada por el técnico de laboratorio.

Ilustración 21: Imagen midiendo la temperatura del colegio.

Ilustración 22: Imagen realizando la segunda medida de la base del cuadrante


12


Ilustración 23: Imagen cuando el valor de h es 9 cm

Ilustración 24: Imagen cuando el valor de h es 10 cm


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Flujo Volumetrico a Travez de Un Orificio

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