MEDIDORES DE FLUJO OBJETIVOS Mostrar a los alumnos la operación de los medidores de Orificio, Venturi. Analizar la variación del coeficiente de descarga del orificio con el número de Reynolds.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad la medición del flujo es la variale m!s importante en la operación de una planta, sin esta medida el alance de materia, el control de calidad y la operación misma de un proceso continuo ser"an casi imposiles de realizar. E#isten muc$os m%todos confiales para la medición de flujo, uno de los m!s comunes es el &ue se asa en la medición de las ca"das de presión causadas por la inserción, en la l"nea de flujo, de algún mecanismo &ue reduce la sección' al pasar el fluido a trav%s de la reducción aumenta su velocidad y su energ"a cin%tica' las placas de orificio y el Venturi estudiados en esta pr!ctica pertenecen a esta clase.
FUNDAMENTOS TEORICOS Medidores de orificio (on dispositivos &ue consisten en una reducción en la sección de flujo de una tuer"a, de modo &ue se produzca una ca"da de presión, a consecuencia del aumento de velocidad.
)aciendo un alance de energ"a entre el orificio *punto + y la sección posterior al orificio *punto -, despreciando las p%rdidas por fricción tenemos
.....(1) /ara un fluido incomprensile y de la ecuación de continuidad
.................................() (ustituyendo - en +
.......(!) 0espejando v+ y saiendo &ue 0+ 1 0orificio
........(") En caso de &ue se consideren las p%rdidas de fricción, es necesario agregar el coeficiente de orificio 2o, teniendo lo siguiente
....(#) (iendo v+ velocidad en el orificio. (i se re&uiere conocer el 2audal
.....($) 2o 2oeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. Este coeficiente var"a entre 3.4 y 3.4- para orificios conc%ntricos de ordes afilados y si el 5úmero de Reynolds es mayor de -3 333 y si la toma posterior est! en la vena
contracta. 03 0i!metro de orificio. 0- 0i!metro de la tuer"a.
6sualmente el di!metro del orificio est! entre 73 y 849 del di!metro de la tuer"a. :a toma corriente arria dee &uedar a una distancia correspondiente a un di!metro de la tuer"a de la cara del orificio y la de corriente aajo a una distancia de 3.7 del mismo di!metro, 0-. En los medidores instalados la manera m!s simple de otener la ca"da de presión consiste en el empleo de un manómetro diferencial en ;6<. :a p%rdida de carga o p%rdidas permanentes por fricción se otienen por
...(%) /ara gases la ecuación dee modificarse mediante un factor emp"rico &ue, para el caso de comportamiento ideal es
....(&) (iendo = la relación de las capacidades calor"ficas a presión y volumen constantes.
....(') /or lo tanto
....(1) :as ecuaciones anteriores se aplican cuando las tomas de presión est!n situadas en las ridas, + di!metro de la tuer"a antes de la placa y 3.7 di!metro despu%s, si la toma posterior est! situada despu%s de la vena contracta se utiliza un factor = &ue es función de la relación para Reynolds mayores de -3 333.
0onde
....(11) T*o Ve+,ri Este medidor fue inventado por 2lemens )ersc$el en +>>+ y lleva el nomre de Venturi por el cient"fico italiano &ue fue el primero en e#perimentar en tuos divergentes. Este medidor es el m!s e#acto teniendo una m"nima p%rdida de presión perma? nente y permitiendo el paso de +.4 veces m!s el flujo &ue la placa de orificio. El aparato est! formado por tres secciones principales, una convergente con !ngulo menor a 8@, una sección intermedia &ue constituye la garganta o estrec$amiento y una divergente.
:a ecuación para otener la velocidad se deduce de manera similar a la de un medidor de orificio.
...(1) v+ velocidad en la garganta. 0+ 0i!metro de la garganta. 0- 0i!metro de la tuer"a. 2v 2oeficiente de descarga' su valor medio es de 3.>. :as p%rdidas de presión no recuperales son del +39 de la ca"da de presión marcada en el manómetro diferencial.
E#isten otros medidores de flujo comoRo,-e,ro 2onsiste esencialmente de un flotador indicador &ue se mueve liremente en un tuo vertical ligeramente cónico con el e#tremo de menor di!metro en la parte inferior. El fluido entra por la parte inferior del tuo y ejerce una fuerza ascendente sore la ase del flotador' al suir el flotador permite &ue pase una determinada cantidad de flujo por el !rea anular, !rea formada entre el flotador y la pared del tuo y ser! tal &ue la ca"da de presión en ese estrec$amiento aste para e&uilirar la fuerza de gravedad y el peso del flotador, en ese momento el flotador permanece estacionario en algún punto del tuo. :a p%rdida de presión se mantiene constante sore el intervalo completo del flujo. Entonces para cada flujo. El flotador alcanza una altura determinada. El tuo cónico lleva graada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo m!#imo. :os rot!metros no necesitan tramos rectos de tuer"a antes y despu%s del punto donde se instalan.
:a ecuación correspondiente al flujo ó caudal *2a viene dada por
....(1") 2ada magnitud tiene el significado indicado en la figura anterior y = es el coeficiente del rot!metro. Beneralmente el rot!metro se calira con el fluido para el cual se emplear! como medidor del caudal. (in emargo, si se calira con un fluido A de densidadA y despu%s se emplea para medir el caudal de otro fluido C deC, la relación de caudales viene dada por
....(1#) Medidor /+0/r de f0o Este medidor es una variale simple del medidor de placa de orificio, &ue tiene como particularidad permitir &ue el fluido pase a trav%s de una sección anular, por lo tanto se encuentra entre amos respecto a su ca"da de presión permanente. 2onsiste en un cuerpo agudo localizado en el centro de un tuo de flujo y &ue permite al fluido pasar a trav%s de un !nulo provoc!ndose una contracción del !rea de flujo en la tuer"a. Esta contracción da como resultado una ca"da de presión, la cual puede ser medida en un manómetro diferencial. :os coeficientes otenidos en función del número de Reynolds se grafican en la figura 8.
:a ecuación fundamental es similar a la de los medidores tradicionales, es decir, asados en un alance de energ"a entre dos puntos situados, uno en la vena contracta *- y otro corriente arria *+.
:a ecuación otenida a partir del alance entre estos puntos es
....(1$) 0onde v+ velocidad en la tuer"a. 2A 2oeficiente de descarga del medidor anular. 0/ 0iferencia de presiones entre los puntos *+ y *-. r densidad del fluido. (+ y (- (uperficie transversal del tuo y del !nulo, respectivamente. gc factor de conversión.
T2c+ic/ de o3er/ci4+ +. :lenar el tan&ue de alimentación $asta dos terceras partes de su capacidad. -. Acoplar el motor a la oma &ue se va a utilizar. D. Verificar &ue el tan&ue receptor tenga capacidad de recepción para reciir lo &ue se va a omear. . Alinear la tuer"a de manera de usar sólo la l"nea de - pulg. 7. /oner a funcionar la oma y medir la cantidad de agua omeada en un cierto tiempo usando el indicador de nivel del tan&ue de alimentación y un cronómetro. 4. Al mismo tiempo tomar las lecturas de los manómetros diferenciales. 8. Medir las distancias a las &ue se encuentran colocadas las tomas de presión en los medidores orificio y venturi. >. :a operación se repite varias veces modificando el flujo con la v!lvula de descarga de la oma empleada. 0atos 0iametro del orificio 03 1 -.4D7 cm 0iametro de la garganta del Venturi 0v 1 -.3 cm
5rec/cio+es Verificar &ue durante el llenado de los tan&ues de alimentación y descarga no ocurran derrames de agua. 2ual&uier maniora en las pro#imidades de los tuos de nivel o de los tuos de los manómetros diferenciales instalados junto a los medidores de flujo, dee $acerse cuidadosamente deido a los riesgos de ruptura de los mismos.
Co+,e+ido de0 i+fore
El alumno entregar! al profesor lo siguiente a. El cuestionario resuelto. . :os datos otenidos durante la pr!ctica. c. A partir de los datos e#perimentales el valor de los coeficientes de Orificio y Venturi. d. El coeficiente de orificio y venturi a partir de correlaciones y su comparaciones con los e#perimentales. e. :as p%rdidas permanentes de presión para los medidores de Orificio y Venturi. f. 2onclusiones y recomendaciones.
CUESTIONARIO +. FEn &u% principio se asa el uso de los medidores de orificioG -. FHu% es la vena contractaG D. F2ómo funciona un rot!metroG . FHu% efecto tiene la colocación de las tomas de presión en la placa de orificioG 7. F2u!ndo se recomienda utilizar cada uno de los medidores empleados en la pr!cticaG 4. F2ómo son las p%rdidas de presión del Venturi en comparación con las del orificioG 8. F2ómo se otiene el coeficiente en el medidor de orificio cuando la toma de presión posterior est! situada fuera de la vena contractaG >. FA &u% distancia de la placa se forma la vena contractaG . F2ómo se otiene el coeficiente en el medidor de orificio cuando el Re es menor de +3 333G +3. 2uando el medidor Venturi se aplica a la medición de gases, F&u% correcciones se deen efectuarG ++. E#pli&ue como funciona un medidor de turina, y cual es su aplicación.
