UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Facultad de Tecnología de la Construcción Departamento de Hidráulica y Medio Ambiente
PRACTICA # 4 Venturímetro
I N T E G R A N T E S
1. Marely del C. Herrera Gutiérrez 2. Annie Solangee Hodgson Escobar 3. Edwin Alonso González Ortiz 4. Enrique Luis Cordón Mena 5. Elvin José Cortez Cortez Grupo: IC-31D Subgrupo: IC-31D2
Profesor de Teoría: Profesor de Práctica:
Ing. Dr. Néstor Lanza Ing. María José Castro
Fecha de entrega:
17 de mayo del 2012
INDICE Página
1. Introducción
3
2. Objetivos
4
3. Generalidades
5
4. Equipo Empleado
7
5. Procedimiento Experimental
7
6. Tablas y Cálculos
8
6.1. 6.2. 6.3 6.4.
Fórmulas a Utilizar Tabla de Recolección de Datos Cálculos Tabla de Resultados
8 9 10 18
7. Desempeño de Comprensión
19
8. Conclusión
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9. Anexos
26
10. Bibliografía
27
2
1. INTRODUCCIÓN
El día 16 de Mayo de 2012 se realizó la práctica del medidor de Venturi. El medidor de Venturi, inventado por el ingeniero estadounidense Clemans Herschel ( 1842-1930) y nombrado por él en honor del italiano Giovanni Venturi( 1746-1822) por sus trabajos pioneros a cerca de las secciones cónicas de flujo, es el fluxómetro mas preciso en este grupo, pero también el mas caro. Su contracción y expansión graduales evitan la separación del flujo y los remolinos y solo tiene perdidas de fricción de la pared interior. Los medidores de Venturi causan perdidas de carga muy bajas y por lo tanto se deben preferir para aplicaciones que no puedan permitir grandes caídas de presión. La perdida de carga en los medidores Venturi solo es alrededor de 10 %. El medidor de Venturi es utilizado para medir la taza de flujo de descarga en una tubería, o sea la cantidad de agua en volumen que esta pasando a través de una tubería en la unidad de tiempo. La función básica del tubo Venturi consiste en producir un estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las presiones en las secciones aguas arriba y en la garganta, las cuales son presiones. De manera que a partir de Bernoulli es posible obtener la velocidad teórica en dicha garganta, que al multiplicarla por su área permite determinar la descarga teórica (caudal). Para determinar el caudal teórico, solo necesitamos dos lecturas piezométrica, la de la entrada y la de la garganta. Los tubos piezométricos a través de todo el Venturímetro nos indican el comportamiento de la distribución de las presiones a través del mismo.
3
2. OBJETIVOS
Conocer el Venturímetro y sus aplicaciones.
Determinar el caudal mediante métodos diferentes a los ya estudiados.
Determinar la velocidad de flujo del agua.
Ver el comportamiento de la distribución de presiones
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3. GENERALIDADES El Venturímetro El Venturi o Venturi es un instrumento usado para medir el flujo de una tubería. Esta herramienta utiliza el " efecto Venturi, y toma su nombre de su físico Giovanni Battista Venturi. De hecho, se calcula la velocidad del medio fluido a partir de la relación existente entre esta magnitud y la presión (que se muestra por el efecto Venturi). Puesto que la velocidad es entonces fácil de calcular el flujo de volumen, relacionadas por la fórmula:
Donde Q es el caudal de volumen, v es la velocidad y A representa el área de la sección de conducta considerada
Composición y uso del Venturi El venturi consta de dos brazos: el primero convergente y la otra divergente. Esta herramienta, a través de una disminución de la sección del conducto hace que la aceleración del fluido. De hecho, debido a la proporcionalidad inversa que se une la velocidad a la sección del conducto, una velocidad de flujo constante una disminución de la sección provoca un aumento de la velocidad. Es importante en el diseño y la construcción de un venturi, tener mucho cuidado para evitar el fenómeno de cavitación . La disminución de la presión dentro de la sección contraída, de hecho, nunca debe llevar la presión interna del líquido por debajo de la presión de vapor del líquido en sí, debido a la cavitación puede causar un daño sustancial a la tubería. Para evitar estos problemas, los venturis están construidos para operar dentro de una gama definida de las tasas de flujo: si el flujo es demasiado pequeño los valores no son aceptables en términos de aproximación, si el alcance es demasiado grande que genera el fenómeno de cavitación con sus consecuencias negativas. El venturi también consta de un medidor de presión diferencial , que mide la diferencia de presión antes y después inmediatamente porción convergente, que se contrae en la sección de la tubería.
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Suponiendo que el líquido es incompresible, la sección horizontal de la tubería, el flujo constante, la integración de ' ecuación de Bernoulli en la misma línea de flujo es:
donde: v 1 y v 2 son la velocidad en la sección 1 (antes de converger porción) y 2 (en la sección contraída), p 1 y p 2 las presiones en las dos secciones, g representa la " aceleración de la gravedad y ρ la densidad del líquido. De esta fórmula, por supuesto, tenemos:
Por lo tanto, conocer la relación entre la velocidad de flujo, se puede escribir:
Donde A 1 y A 2 son áreas de las dos secciones consideradas. Es importante señalar que el flujo Q no se incluyeron en los subíndices se refieren a las dos secciones debido a que las dos velocidades de flujo son iguales a la " ecuación de continuidad . Si los dos caudales eran diferentes, de hecho, significaría que una parte de la masa se ha introducido o expulsado en la sección entre las dos secciones. A partir de aquí, el uso de simples manipulaciones matemáticas, la definición de un parámetro k constante, llegamos a la determinación del ámbito de aplicación:
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4. EQUIPO EMPLEADO
a) Banco Hidráulico. b) Aparato medidor Venturi. c) Cronómetro. d) Nivel de mano. e) Agua.
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Se revisó el nivel del agua dentro del tanque, la profundidad debe ser la adecuada. 2. Se conectó la manguera suplidora del banco hidráulico al tubo de entrada del Venturímetro, luego se conectó una manguera de drenaje a la salida del Venturímetro y se dirigió al tanque pesador del banco hidráulico. 3. Se niveló el aparato por medio de los tornillos ajustables, haciendo uso del nivel de mano. 4. Se puso a funcionar la bomba del banco hidráulico. 5. Se abrió la válvula de control del aparato al máximo para expulsar el aire, luego se aumenta gradualmente el caudal y disminuirlo al mínimo, cuidando de mantener llena la tubería. 6. Se cerró gradualmente las válvulas de control del Venturímetro y del banco hidráulico hasta lograr un nivel de agua estática que debe ser igual en todos los tubos piezométricos. 7. Se abrió gradualmente ambas válvulas de forma tal, que la diferencia de lectura (h1 – h2) sea la máxima posible. Se recomienda una diferencia de 250 mm. 7
8. Se anotó las alturas de cada tubo piezométrico y luego se determinó el caudal que proporciona la bomba por medio de la regleta graduada que tiene el Banco hidráulico (Método volumétrico). 9. Se cerró gradualmente ambas válvulas para variar el caudal y se repitió el paso (8) una vez más. 10. Se repitió el paso (9) y solo se anotó las lecturas piezométricas de la entrada y de la garganta 5 veces.
6. TABLAS Y CALCULOS 6.1
Fórmulas a utilizar
Velocidad Teórica en la garganta.
Caudal Teórico.
Caudal Real:
Coeficiente de Descarga:
( ) ( ) 8
Velocidad Experimental:
Velocidad Real:
Coeficiente de Velocidad:
Lectura No. 1 2 3
6.2
A (h1, entrada)
√
Lectura Piezométrica(mm) B (h2) C (h3) D (h4)
E (h5, garganta)
F (h6)
283
218
155
55
20
128
250
203
151
78
48
125
129
122
113
100
94
105
Tabla de recolección de datos
Determinación para la determinación del caudal real y teórico Lectura No. Tiempo Volumen (lts) Colectado colectado(seg) 1 2 3
Lectura Piezométrica(mm) h1 h5 h°
10
58.79
283
20
287
10
66.41
250
48
262
10
172.32
129
94
130
9
6.3
Cálculos
Áreas
Caudal Real
10
Velocidad teórica del fluido en la garganta
Caudal 1
) (
Caudal 2
) (
Caudal 3
) (
Caudal teórico
( ) ( ) ( )
11
Velocidad real y experimental para el A 1 y A5 en el Venturímetro
Para caudal 1
√ Área 1
Área 5
√
Para caudal 2
√ Área 1
12
Área 5
√
Para caudal 3
√ √ Área 1
Área 5
Distribución ideal y real de las presiones Ideal
13
Real Para Caudal 1
14
Real Para Caudal 2
15
Real Para Caudal 3
16
Coeficiente De Descarga
Coeficiente De Velocidad En La Entrada
Coeficiente De Velocidad En La Garganta
17
6.4 Posición Área(m²)
Tabla de resultados A
B
C
0.000490873
0.000151746
D
0.000109358 0.00008992
E
F
0.000078539
0.000490873
COEFICIENTE DE DESCARGA Lectura
Lectura Piezométrica
Caudales(m³/s)
Caudales(l/s)
Cd
h1(m)
h2(m)
(h1-h2)½
Teórico
Real
Teórico
Real
1 2
0.283
0.020
0.513
0.00018
0.00017
0.18
0.17
0.944
0.250
0.048
0.449
0.000158
0.000151
0.158
0.151
0.956
3
0.129
0.094
0.187
0.000066
0.000058
0.066
0.058
0.879
COEFICIENTE DE VELOCIDAD EN LA ENTRADA
Lectura 1 2 3
Lectura Piezométricas h1(m) h°(m)
Velocidades (m/s) Exp Real
Cv
0.283
0.287
0.280
0.346
1.236
0.250
0.262
0.485
0.308
0.635
0.129
0.130
0.140
0.118
0.843
COEFICIENTE DE VELOCIDAD EN LA GARGANTA (POSICION E)
Lectura 1 2 3
Lectura Piezométricas h5(m) h°(m)
Velocidades (m/s) Exp Real
0.020
0.287
2.289
2.165
0.946
0.048
0.262
2.049
1.923
0.939
0.094
0.130
0.840
0.739
0.88
Cv
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DISTRIBUCIÓN IDEAL Y REAL DE PRESIONES COMO FRACCIÓN DE LA ENERGÍA CINÉTICA EN LA GARGANTA
1 2 3
Lectura Ideal Real Ideal Real Ideal Real
A
B
C
D
E
F
0
-0.242
-0.490
-0.737
-0.974
0
0
-0.241
-0.475
-0.846
-0.975
-0.575
0
-0.242
-0.490
-0.737
-0.974
0
0
-0.227
-0.477
-0.829
-0.974
-0.603
0
-0.242
-0.490
-0.737
-0.974
0
0
-0.199
-0.456
-0.826
-0.997
-0.684
7. DESEMPEÑO DE COMPRENSIÓN
1. ¿Cuáles son las fuentes de error en el ensayo? Al no presentar una escala bien graduada los lectores tienden a confundir la lecturas, otra de las razones es si se producen burbujas de aire en el interior de los tubos piezométricos. 2 ¿Qué efecto se tendría si el Venturímetro no estuviera horizontal? Los efectos que tendría serian:
La gravedad implicaría mucho en la velocidad del fluido al pasar por el area menor. La presión de los tubos piezometricos tendrá la dirección de la gravedad. Se tendría que aplicar presiones excesivas. No se obtendrían los resultados esperados.
3. Investigue, ¿Cuál es el ángulo incluido nominal de la sección convergente y divergente de un tubo de Venturi? Explique por qué existe esta diferencia. La entrada convergente tiene un ángulo inclinado de alrededor de 21º, y el cono divergente de 7º a 8º, la diferencia es sencillamente para disminuir la presión de forma que la velocidad del fluido aumente, en otras palabras el fluido que es canalizado y en ese canal por donde pasa se produce un estrechamiento, el fluido pasa a mayor velocidad por ese estrechamiento disminuyendo en el mismo la presión, produciéndose una especie de succión. 19
4. ¿Qué otros medidores de caudal en conductos cerrados conoce?
Medidor de Venturi: Este dispositivo se utiliza para medir el gasto a través de una tubería. Generalmente se hace de una sola pieza fundidaque consta de una sección aguas arriba, de igual diámetro que la tubería y provista de un anillo con aberturas piezométricas para medir la presión estática en esa sección; una sección cónica convergente; una garganta cilíndrica provista también de un anillo piezométrico; y una sección cónica con una divergencia gradual hasta alcanzar el diámetro original de la tubería. La placa de orificio: es una placa delgada que puede sujetarse entre bridas de tubería. El orificio de arista afilada ocasiona que el chorro se contraiga aguas abajo del orificio, de tal manera que las líneas de corriente, continúan convergiendo en una distancia corta después del plano del orificio; por tanto, el área de flujo mínimo es en realidad menor que el área del orificio. El Rotámetro: Consiste de un tubo vertical, de forma cónica dentro del cual circula el fluido de abajo hacia arriba. Dentro del tubo se encuentra el flotador provisto de unas aspas que lo hacen girar concéntricamente, manteniéndolo centrado dentro del tubo.
5. ¿Por qué el coeficiente Cd no es constante?, Explique ¿a qué se debe que la pérdida total en el Venturímetro sea pequeña? Esto es debido a errores que se cometieron durante el laboratorio, que generalmente es de visualización, al momento que se hace lectura en los manómetros, según especificaciones del fabricante del Venturímetro, este coeficiente esta aproximadamente entre 0.984 y 0.985, en donde la pérdida es mínima y se aproxima más al caudal real. La pérdida es pequeña debido a las especificaciones que aplica el fabricante, una de ellas es la fabricación de esta en una sola pieza en donde no se encuentra por esta razón ninguna perdida por fricción que obstaculice el flujo de agua, otra razón puede ser el diseño del cono de entrada y el de salida. 6. ¿Cómo puede usarse el tubo de Venturi para bombear fluido? Debido a la forma cónica del tubo en los extremos (una divérgete y otra convergente de diferentes inclinaciones) el tubo de Venturi produce el efecto Venturi, este efecto consiste en que al disminuir el orificio donde pasa el flujo este 20
tendrá mayor velocidad, esto hará que en el otro extremo se produzca una succión pero este solo es viable si el flujo es lo suficientemente alto. 7. ¿Qué pasaría si la altura del agua en el banco hidráulico sobrepasa la altura estipulada por los requerimientos del equipo? Primeramente el agua se derrama, y podría haber una presión excesiva lo que afectaría los tubos piezometricos a tal punto que llegaría a deformarlos y quebrarlos.
8. Construya una tabla de conversión de unidades de caudal que contemple las unidades de volumen de: litros, m3, y galones versus las unidades de tiempo de: segundo, minutos, hora y día. Lt/seg M3 /min Gal/hs Gal/días
Lt/seg 1 16.667 1.051x10 -7 4.381x10 -5
M3 /min 0.06 1 1.298x10 -4 5.406x10 -6
Gal/hs 951.123 7707.129 1 0.042
Gal/días 22826.948 184971.098 24 1
9. Grafique a. Cd vs Q teórico del Venturímetro.
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b. (h1-h2)1/2 vs Qt del Venturímetro.
c. La distribución de presiones real y teórica contra la distancia que hay de la garganta a cada toma Piezométricas. d. Qr vs Qt del Venturímetro ¿Qué significa la pendiente de esta grafica?
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e. Vr vs Vexp del Venturímetro ¿Qué significa la pendiente de esta grafica? De h1
De h5
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f. Cv vs Vexp del Venturímetro. De h1
De h5
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8. CONCLUSIÓN En conclusión aprendimos que el tubo venturi puede ser utilizado para múltiples cosas en la vida cotidiana ya que se puede aumentar la velocidad de un fluido fácilmente ocupando el famoso tubo descubierto por Giovanni Venturi. Aprendimos también otra forma de medir caudales conociendo la velocidad del fluido, de las aplicaciones prácticas que podemos mencionar del tubo venturi la más común seria la del carburador que presentan los automóviles, que hace que el aire combustiones mas rápidamente la gasolina. Otra de las utilización del tubo venturi es para la inyección de líquidos en fluidos con velocidad, que es muy utilizado en fabricas cuando se requiere inyectar ciertos fluidos en maquinarias que funcionan hidráulicamente o bien neumáticamente.
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9. ANEXOS
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10. BIBLIOGRAFIA
http://www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/f1/index.php http://es.scribd.com/doc/50525744/Boquilla-de-flujo http://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_flujo http://www.monografias.com/trabajos31/medidores-flujo/medidoresflujo.shtml
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