UNIVERSIDAD DE ATACAMA Facultad de Ingeniería Departamento de Metalurgia
Laboratorio De Equipo Venturi, Bernoulli y Cavitación
Integrantes: Sebastián Neira. Constanza Muñoz. Camila Contreras. Daniela Ossa. Jessica Aguilera. María Hormazábal Matías Saavedra. Académico: Académico: Ivonne Ivonne López. López. Fecha de Entrega: 16/06/2017.
Copiapó
Resumen
En el siguiente informe de laboratorio se procede a comprender la ley de conservación de energía según Bernoulli, la cavitación y los cambios de presión mediante el uso de un equipo que cuenta con un tubo de Venturi, un manómetro, un vacuometro y un estanque con agua para abastecer el tubo en el procedimiento. Para ello se utilizó dicho tubo en su posición divergente, la cual por medio de la ley de conservación de Bernoulli se logró apreciar en forma clara que al aumentar el área por el cual pasa el flujo, la presión de éste aumentaba. A su vez, el vacuometro indicó lo experimentado con las mediciones proporcionadas, llegando a vaciar el deposito con agua conectado al tubo de Venturi. Junto con ello, se logra apreciar a cabalidad el fenómeno de cavitación, momento en el cual se generan burbujas en el fluido transportado. Las anotaciones arrojan que con un flujo de 1300 [L/h] se obtiene una presión en el manómetro de 1,1 [bar] y se puede observar el efecto de la cavitación, mientras que con un caudal de 1200 [L/h] se observó una presión de -0,57 [bar] en el vacuometro sin lograr el efecto de cavitación. Finalizando esta experiencia se observó cómo al bajar la presión originada por el tubo Venturi, se efectuó una succión del líquido de un depósito a otro, equilibrando las presiones entre ambos. El análisis e interpretaciones de los datos de la actividad realizada se encuentran al interior del informe, al igual que el detalle y explicación de los fenómenos físicos ocurridos.
Objetivos
Comprender La ley de conservación de energía según Bernoulli a través de un procedimiento experimental.
Estudiar la cavitación.
Observador que un líquido de un depósito es “aspirado “hasta otro deposito con
menor presión.
Antecedentes teóricos
Rapidez de flujo de volumen (Caudal): La rapidez de flujo de volumen es el volumen de flujo de fluido que pasa por una sección por unidad de tiempo (más conocida como caudal). Se calcula con la siguiente ecuación:
=∗
Donde A es el área de la sección. Donde V es la velocidad promedio del flujo.
Ecuación de continuidad: La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la masa. Cuando un fluido fluye por un conducto de diámetro variable, su vel ocidad cambia debido a que la sección transversal varía de una sección del conducto a otra. En todo fluido incomprensible, con flujo estacionario (en régimen laminar), la velocidad de un punto cualquiera de un conducto es inversamente proporcional a la superficie, en ese punto, de la sección transversal de la misma. Imaginemos un tubo en el cual existe un fluido en movimiento de la sección 1 a la sección 2 con rapidez constante. Esto es, la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un cierto tiempo dado es constante. Si no se agrega fluido, se almacena o se retira entre la sección 1 y la sección 2, entonces la masa que pasa por la sección 2 en un tiempo dado, tiene que ser la misma que la que fluye por la sección 1, en el mismo tiempo. Esto se puede expresar en términos de rapidez de fluido de masa co mo: M1 = M2
donde M es la rapidez de flujo de masa
Puesto que M = *A*V, nos queda:
1 * A1* V1 = 2 * A2 * V2
donde es la densidad de fluido
donde A es el área del fluido donde V es la velocidad de fluido
Este planteamiento matemático del principio de continuidad, se le conoce como ecuación de continuidad. Se utiliza para relacionar la densidad del fluido, el área de fluido y la velocidad del fluido en las dos secciones de un sistema en la que existe un fl ujo estable. Como hemos considerado que el fluido es incompresible se cumple que ( 1 = 2 ) la ecuación de continuidad nos queda: A1 * V1 = A2 * V2 O, puesto que Q = A*V tenemos que: Q 1 = Q 2
Decimos que, para un flujo estable, la rapidez de flujo de volumen es la misma para cualquier sección.
El principio de Bernoulli : Dentro de un flujo horizontal, los puntos de mayor velocidad del f luido tendrán menor presión que los de menor velocidad. La ecuación de Bernoulli, se puede considerar como una apropiada declaración del principio de la conservación de la energía, para el f lujo de fluidos. La energía que posee el fluido consta de: Energía potencial: energía debido a la velocidad que posee el fluido Energía potencial o gravitacional: energía debido a la altura a la cual se encuentra el fluido Energía de flujo : energía que un fluido contiene debido a la presión que posee. Ecuación de Bernoulli:
Es esencialmente una manera matemática de expresar el principio de Bernoulli de forma más general, tomando en cuenta cambios en la energía potencial debido a la gravedad. La ecuación de Bernoulli se expresa como:
+
1 2
+ =
Donde:
= presión a lo largo de la línea de la corriente = densidad del fluido = aceleración de gravedad v = velocidad del fluido = altura en la dirección de la gravedad
Tubo de Venturi: Fue creado por el físico e inventor italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1882). El físico indicaba que este era un dispositivo para medir el gasto de un fluido, es decir, la c antidad de flujo por unidad de tiempo a partir de una difere ncia de presión entre el lugar por donde entra la corriente y un punto, calibrable, de mínima sección de tubo, en donde su parte ancha final actúa como un difusor.
Imagen 1. Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido.
Cavitación: Es un efecto hidrodinamico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresion del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presion de vapor del liquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente al estado de vapor, formandose burbujas o, más correctamente, cavidades. Es un proceso fisico muy parecido a la e bullición, la diferencia es que la cavitación es causada por una caida de presión local por debajo de la presión de vapor, mientras lo hace por encima de la presión ambiente local.
Manometro: Un manometro es un intrumento de medida de la presion en fluidos( liquidos y gases ) en circuito cerrado. Miden la diferencia entre la pr esion real o absoluta y la presion atmosferica, llamandose a este valor presion manometrica. Lo que realmente hacen es comparar la presion atmosferica ( la de afuera ) con la de dentro del circuito por donde circula el fluido. Por eso se dice que los manometros miden la presion relativa.
Imagen 2 Manómetro en forma de U. Esta formado por un tubo de vidrio lleno parcialmente con un liquido, uno de sus extremos se conecta a la zona donde quiere medirse la presión, y el otro se deja libre a la atmósfera.
Vacuometro: Mide el vacio que esta sometido el aire en el interior de la instalacion. Son medidores de presion diferencial ( diferencia de presion entre e l interior y el exterior).
Imagen 3 El vacuometro permite realizar la medición de la presión cuando esta resulta menor a la presión de la atmosfera.
Flujómetro:
Un flujómetro es un instrumento de medida para la medicion de caudal o gasto volumétrico de un fluido.
Imagen 4 .
El flujómetro se utiliza para controlar el caudal de los gases procedentes de un sistema de suministro central o de una bombona de gas comprimido.
Bomba de aspiración:
Su principal función es elevar líquidos. Todo constan de un cilindro hueco, denominado cuerpo de bomba, que es recorrido por un émbolo o pistón, existiendo tubos para la salida o entrada de líquido cada una con sus válvulas correspondientes. La bomba aspirante tiene el cuerpo de bomba a bastante distancia del depósito y un tubo, llamado de aspiración, con su extremo inferior sumergido en el líquido, conectando el cuerpo de bomba y el depósito. Consta de dos válvulas que se abren de abajo a arriba, una en el fondo del cuerpo de bomba y la otra en el émbolo. Si partimos del émbolo situado en la base del cuerpo de bomba, cuando lo elevamos, queda enrarecido el aire del interior y el aire contenido el tubo de aspiración levanta la válvula del fondo del cilindro, con lo que pasa al interior del cue rpo de bomba al mismo tiempo que el líquido del depósito sube por el tubo debido al efec to de la presión atmosférica ejercida sobre la superficie de líquido libre del depósito. Cuando el émbolo desciende, se cierra la válvula que conecta el tubo con el cuerpo de bomba y al comprimirse e l aire que queda en el mismo, se abre la válvula del émbolo, permitiendo que ese aire salga al exterior, conforme va descendiendo el pistón. Después de ejecutar varias veces el ascenso y descenso del émbolo, y según la longitud del tubo de aspiración llegará a salir por él el líquido. Una bomba aspirante es de acción limitada, en ciertos sentidos ya que después de ejecutar varias veces el ascenso y descenso del émbolo, y según la longitud del tubo de aspiración llegará a salir por él el líquido. no puede proporcionar un chorro continuo de líquido ni tampoco hacer subir el agua a través de una distancia mayor a 10 m. entre la superficie del depósito y la válvula inferior,
ya que la presión normal del aire sólo puede actuar con fuerza suficiente para mantener una columna de agua de esa altura.
Imagen 5 Bomba de aspiración.
Imagen 6 Sección principal de una bomba aspirante.
Desarrollo experimental
En esta parte del informe se da a conocer los pasos realizados para llevar a cabo el experimento de laboratorio en el que se trabajó. Lo primero es corroborar las conexiones necesarias entre las llaves y los distintos conectores para que el tubo de Venturi se encuentre en posición divergente. 1. Cerrar todas las llaves de los tubos manométricos (perdida de fluidos). 2. Conectar los tubos transparentes de manera que el tubo de Venturi quede en posición divergente. 3. Conectar la primera conexión del tubo de Venturi a la llave manométrica uno y cinco. 4. Conectar la segunda conexión del tubo de V enturi a la llave manométrica dos. 5. Conectar la tercera conexión del tubo de Venturi a la llave manométrica tres. 6. Conectar la cuarta conexión del t ubo de Venturi a la llave manométrica c uatro. 7. Conectar la quinta conexión del tubo de Venturi a la llave del manómetro. 8. Conectar la sexta conexión del tubo de Venturi a una de las llaves del depósito 1(deposito superior y la llave debe estar c errada). 9. Conectar la segunda llave del depósito 1 a la llave del vacuometro (segunda llave del depósito 1 debe estar cerrada). 10. Una vez ya conectado todo el sistema por medio de acoples simples, se prosigue a abrir la dos llaves del depósito 1. Luego de corroborar las conexiones señaladas, se da paso a abrir las llaves del depósito Nº1, el cual conecta con el flujo y da comienzo al experimento, ya que hace funcionar el flujometro. Cuando este empieza a funcionar, comienza a crear el movimiento del fluido por m edio del tubo de Venturi, haciendo que la presión del depósito 1 disminuyera, lo cual se refleja en el vacuometro, debido a la depresión producida en la cavitación dentro del Venturimetro. Se prosigue a cerrar la llave del depósito 2 y agregar agua. Esperar que la medida del vacuometro se estabilice, para luego medir el flujo y la presión. Cerrar las llaves del depósito 1 (usado anteriormente) y apagar el equipo. Se desconecta el tubo de Venturi del depósito 1, que va a la toma 6 del Venturimetro. Conectar el tubo que sale del depósito 2 a la llave que quedo libre en el deposito 1. Abrir la llave del depósito 2, luego la del vacuometro del depósito 1. Finalmente se abre la llave del depósito 1, provocando que el fluido que estaba en el interior del depósito 2 fluya hacia arriba (deposito 1), todo esto fue producto de la diferencia de presión que existía entre ambos depósitos, era tal la diferencia de presión que el fluido sube con una gran intensidad hacia el deposito, el fluido sube hasta que ambas presiones se igualen.
Anexos Materiales utilizados:
Imagen 7
Fotografía de experiencia realizada en el laboratorio.
Especificaciones: 1.- Manómetro tipo bourdon, rango (0-2,5 bar). 2.- 5 tubos manométricos. 3.- 1 bomba de aspiración. 4.- vacuómetro tipo bourdon de 0 (-1) bar. 5.- tuvo Venturi.
Resultados
Se tienen los siguientes datos sobre el conducto en donde circula el fluido:
Diámetro mayor Diámetro más estrecho
Tubo de Venturi 25 mm 3 mm
A través del experimento se pudo observar el fenómeno de cavitación con un caudal de:
Q = 1300
ℎ
= 3,61 × 10−
Dónde:
Q: caudal.
Sabemos que:
Q=v∗A Donde: v: velocidad a la que circula el fluido A: área transversal del conducto en donde c ircula en fluido. Debido a que el área a lo largo del tubo es variable ponemos en práctica el efecto Venturi, es decir para que el caudal sea constante la velocidad del fluido debe ser mayor en el área más pequeña y menor en el área más grande, utilizamos la respectiva ecuación. Se consideran dos puntos del tubo, uno en el de menor radio y otro en el de mayor radio, entonces se calcula la velocidad 1 al despejarla de la ecuación 8 para un tubo de menor radio y con un área transversal de 7.069 × 10− :
= 51.068 = − 7.069 × 10 3,61 × 10−
Por lo tanto la velocidad en el tubo de Venturi con radio menor es de 51.068
Se realiza de la misma manera para calcular la velocidad 2 en el tubo de Venturi con un radio mayor y con un área transversal de 4,91 × 10− :
= 0.732 = − 4,91 × 10 3,61 × 10−
Por lo tanto la velocidad en el tubo de Venturi con radio mayor es de 0.732
Al comparar las velocidades calculadas se observa que el tubo de radio menor la velocidad es mayor, esto se debe a que hay una menor presión y para el tubo de radio mayor la velocidad es menor, debido a que habrá una mayor presión, aun así el fluido mantiene un caudal de 1300L/h y es aquí donde se produce el fenómeno llamado Cavitación.
La cavitación ocurre cuando se forman unas burbujas provocando un aumento en la presión haciendo que la velocidad en el tubo de mayor radio sea menor.
Por otra parte en el estanque superior que contenía agua fue aspirada por el estanque inferior y se debe a que la presión en el estanque superior es de
-0,57(bar), ósea una
presión del vacío. Mientras que en el estanque inferior consta con una presión atmosférica, finalmente los dos estanques quedaran con la misma presión debida a que cualquier sistema tiende a equilibrarse.
Conclusión
Al terminar las actividades pertinentes, podemos destacar que los objetivos propuestos se lograron a cabalidad. Se logra comprender tras el análisis de los resultados y observaciones en la misma actividad de laboratorio la ley de conservación de la energía de Bernoulli, donde se estudió el proceso y los fenómenos físicos que participan en el procedimiento experimental. El estudio de la cavitación, fue de gran importancia, ya que, se logró identificar de forma experimental su funcionamiento con hechos como lo fue e l aumento del caudal entre un depósito y el otro, también la presencia de burbujas (cavidades de vapor) causada por la caída de la presión local por debajo de la presión de vapor que causa una succión reflejada en el vacuómetro, lo que dio paso a un mejor entendimiento de esta propiedad. Los datos sobre el conducto con áreas transversales variables donde circula el fluido arrojo velocidades tales como 51.068 m/s correspondiente al radio menor y 0.732 m/s al radio mayor, por otra parte la observación del líquido aspirado por el depósito de menor presión, fue de suma importancia para comprobar que el efecto de Venturi es el que actúa sobre esta acción, debido a que un fluido en movimiento dentro de un conducto (tubería) cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de haber pasado por la zona de radio menor, así también al comparar estas velocidades el fluido continuo manteniendo un caudal de 1300 L/h. De esta manera se cumple la ley de conservación de la masa.
Bibliografía
Mott, R. 2006. Mecanica de Fluidos. México. Pearson educación.
https://deymerg.files.wordpress.com/2013/07/mecanica-de-fluidos-robert-mott-6taedicion.pdf
EFECTO VENTURI. Física Termodinamica. https://hernanleon1002.wordpress.com/fisica-defluidos-y-termodinamica/segundo-corte/marco-teorico/efecto-venturi/
Efecto Venturi - EcuRed. Ecured.cu. https://www.ecured.cu/Efecto_Venturi
Manómetros -
Instrumentación.
Sabelotodo.org
http://www.sabelotodo.org/aparatos/manometros.html
Bomba aspirante – Aparatos para la enseñanza de las leyes física del siglo XIX. https://www.upct.es/seeu/_as/divulgacion_cyt_09/Libro_Historia_Ciencia/web/bomba_a spirante.htm
Çengel , Y , & , Cimbala , J . 2006. Mecánica de fluidos. México. McGraw-Hill Interamericana. https://dredgarayalaherrera.files.wordpress.com/2015/01/mecanica-de-fluidosfundamentos-y-aplicaciones-yunus-cengel-y-john-cimbala-primera-edicion.pdf
Cavitación – Ingenieros2011. ingenieros2011unefa.blogspot.cl http://ingenieros2011unefa.blogspot.cl/2008/01/cavitacion.html
