PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Laborator io de Ingeniería I NRC 10183 Equipo 4 Alvarez Sánchez Sylvana, Sylvana, Castilla de Luna Avelin, López Fernández Elizabeth, Martínez Ramírez Antonio. Fecha de Realización de la práctica: 5 de octubre 2017 Fecha de Entrega del reporte: 19 de octubre 2017
OBJETIVOS. Definir las escalas y unidades de medición de la presión. Conocer y emplear diferentes medidores de presión. Comparar la eficiencia de dichos instrumentos al evaluar la pérdida de carga de un un fluido en un sistema de tuberías.
FUNDAMENTO TEÓRICO. Presión, presión atmosférica, presión absoluta, presión manométrica, unidades y escala para la medida de la presión.
Presión: Es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Presión atmosférica: Es la fuerza por unidad de área que ejerce el aire el aire sobre la superficie terrestre. Presión absoluta: Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Presión manométrica: Representa la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica. La presión manométrica sólo se aplica cuando la presión es superior a la atmosférica. Cuando esta cantidad es negativa se la conoce bajo el nombre de presión negativa. La presión manométrica se mide con un manómetro.
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PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN Unidades para la presión: En el sistema internacional de unidades (SI), la presión se mide en N/m 2 o Pascales (Pa), sin embargo, existen algunas otras unidades que se pueden utilizar, como las atmósferas (atm), los bars (bar) o los milímetros de mercurio (mmHg). En el sistema inglés (CSCU), se utilizan las libras sobre pie cuadrado (lb/ft 2) o libra sobre pulgada cuadrada (lb/in 2) también llamadas psia.
Tabla 1. Escalas de presión
Investigue y explique las principales características para cada tipo de manómetro: diferencial de tubo “U”, mecánico y electrónico.
¿Qué es un manóm etro? Un manómetro es un instrumento de medida de la presión en fluidos (líquidos y gases) en circuitos cerrados. Miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor, presión manométrica. A este tipo de manómetros se les conoce también como "Manómetros de Presión". Lo que realmente hacen es comparar la presión atmosférica (la de fuera, la atmósfera) con la de dentro del circuito por donde circula al fluido. Por eso se dice que los manómetros miden la presión relativa. La presión manométrica es la presión relativa a la presión atmosférica. La presión manométrica es positiva para presiones por encima de la presión atmosférica, y negativa para presiones por debajo de ella. La presión absoluta es la suma de presión manométrica y presión atmosférica.
¿Cómo func iona un manómetro? Los manómetros industriales suelen tener una escala graduada que mide la presión, normalmente, en bares, pascales o en psi (fuerza por pulgada cuadrada) .
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PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN Todos los manómetros de presión tienen un elemento que cambia alguna propiedad cuando son sometidos a la presión. Este cambio se manifiesta en una escala o pantalla calibrada directamente en las unidades de presión correspondientes. La aguja nos mide la presión en el interior del circuito. Como ves en el ejemplo de la imagen hay dos escalas, la de arriba nos marca los bares y la de abajo los psi. En la escala tenemos colores para identificar franjas de presión, por ejemplo, el color rojo peligrosa por ser muy alta. Algo muy importante a la hora de utilizar un manómetro de presión es su exactitud o precisión. La exactitud se define como la diferencia máxima (error) entre el valor verdadero y el valor indicado por el manómetro expresado como porcentaje.
-Manómetro Diferencial de tubo “U” La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de "U", donde se deposita una cantidad de líquido de dens idad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones bajas el manómetro en U de mercurio sería poco sensible). El manómetro en forma de "U" conforma un sistema de medición más bien absoluto y no depende, por lo tanto, de calibración. Esta ventaja lo hace un artefacto muy común. Su desventaja principal es la longitud de tubos necesarios para una medición de presiones altas y, desde el punto de vista de la instrumentación de procesos, no es sencillo transformarlo en un sistema de transmisión remota de presión.
Figura 1. Manometro diferencial de tubo U.
-Manómetros mecánicos Los manómetros mecánicos se componen principalmente de los siguientes elementos funcionales: Un sensor de presión, tubo de Bourdon, fuelle o diafragma.
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PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN Un mecanismo de amplificación: cremallera piñón, mecanismo de cuatro barras u otro. Un sistema de indicación que consiste en una aguja indicadora sobre una escala calibrada en unidades de presión. Transductores eléctricos de presión
Figura 2. Manómetro mecánico.
Todos los elementos estudiados anteriormente permiten medir presión en el proceso. Sin embargo, para procesos industriales se requiere en muchos casos conocer el valor de la medición en una sala de control o en un lugar alejado del proceso. Otras veces se requiere de la medida para la aplicación de una acción de control. Para todo esto se requiere entonces poder comunicar el valor de la variable a otros instrumentos. Una de las formas sencillas para realizar esto es tener una salida eléctrica en el instrumento de medición, para esto se debe entonces utilizar un transductor eléctrico de presión. La función de este elemento será el de transformar el desplazamiento producido por un sensor de presión en una señal eléctrica que se pueda leer.
-Manómetro electrónic o Los manómetros electrónicos son instrumentos muy utilizados como medidores de presión en la industria y en muchas actividades relacionadas con el análisis técnico-científico. El manómetro electrónico es un dispositivo que integra en un mismo elemento tanto el sensor de presión (eléctrico o electromecánico) y un dispositivo electrónico que dotan al instrumento de diferentes funciones interesantes para el usuario (valores mínimos y máximos, cambio de resolución, cambios de unidad). En función del sensor utilizado el indicador digital debe tener una tecnología de medida integrada u otra.
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Figura 3. Manómetros Electrónicos.
En cuanto a su exactitud y precisión es necesario calibrar manómetro electrónico para trabajar conforme a un sistema de calidad. Es recomendable que la calibración de manómetro electrónico sea realizada por laboratorios de calibración acreditados por ENAC. Estos dos parámetros son fundamentales para un buen control de la calidad de los productos. En el proceso de medición no es tan importante la precisión de la medida sino la fiabilidad del resultado y que el técnico conozca bien los distintos conceptos estadísticos y metrológicos.
Investigue sobre la eficacia de los manómetros de tubo “U”, los medidores mecánicos y electrónicos de acuerdo, a sus características de precisión y exactitud.
-Los manómetros de tubo U tienen una aproximación del orden de 1 mm en la columna de agua. o Esta precisión depende de la habilidad del observador y de la limpieza del líquido y el tubo. -Los medidores mecánicos están dotados con elementos sensibles flexibles que se deforman bajo una presión relativa o absoluta. Los manómetros mecánicos no requieren energía auxiliar como los instrumentos electrónicos. Otra ventaja reside en el fácil manejo y en su excelente robustez también en condiciones adversas. Precisión altamente aceptada. o
-Los medidores electrónicos tienen un funcionamiento seguro gracias a la óptima legibilidad y al indicador electrónico de aguja. Esfera giratoria y barra de LED para la indicación de los puntos de conmutación. Funciones de salida programables a través de LED y botones táctiles ópticos. Conexión de manómetro G 1/2 o conexión de proceso G 1 con membrana aflorante. Rangos de presión adicionales: 100 bares, 250 bares y 400 bares. o Mayor precisión gracias al procesamiento electrónico de los valores de medición.
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Investigue el concepto de pérdida de carga en un fluido, como se calcula, sus unidades y aplicaciones.
La pérdida de carga de presión se produce en un fluido, debido a la fricción de las partículas entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. La pérdida de carga en una tubería o canal es la pérdida de presión que se produce en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc.
Figura 4. S ignificado físico de la pérdida de carga. ¿Como se calcula? En dinámica de fluidos la ecuación de Darcy-Weisbach es una ecuación empírica que relaciona la pérdida de carga hidraúlica (o pérdida de presión) debido a la fricción a lo largo de una tubería dada con la velocidad media del flujo del fluido. Fórmula General. La forma general de la ecuación de Darcy-Weisbach es:
ℎ = ∙ ∙ 2 Donde:
ℎ = pérdida de carga debida a la fricción. (m) EQUIPO 4
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PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN f = factor de fricción de Darcy. (adimensional)
L = longitud de la tubería. (m) D= diámetro de la tubería. (m) V = velocidad media del fluido. (m/s) g = aceleración de la gravedad ≈ 9,80665 m/s². Unidades. Tradicionalmente se han usado el bar, el kg/cm 2 y el mca. La conversión (redondeada) de estas unidades sería: 1 bar = 1 kg/cm 2 = 10 mca = 100 kPa. Aplicaciones. Mantener corta la longitud de la tubería. La pérdida de carga en una tubería es también directamente proporcional a la longitud de la tubería. Por lo tanto, deberemos mantener la tubería tan recta y tan corta como sea posible.
Describa brevemente la unidad de dinámica de fluidos PIGNAT BDF/3000.
Equipo que permite la realización de estudios experimentales y teóricos de la dinámica de los fluidos como: estudio de las pérdidas de carga de diferentes elementos de la red, comparación de diferentes medidas de caudal y visualización del régimen de flujo. (PIGNAT,2015).
Estudio experimental y teórico de la dinámica de fluidos Estudio de las pérdidas de Comparación Comparación Visualización carga de de diferentes de valores del régimen diferentes medidas de experiméntales de flujo elementos de caudal y teóricos la red Válvulas codos, extensiones, reducciones bruscas Canalizaciones de diferentes diámetros, largos y rugosidades
Rotámetro con flotador Orificio de medida (Venturi y diafragma) Llenado
Cálculos teóricos de las pérdidas de carga Cálculos teóricos de flujos a partir de la norme NF EN ISO 5167 1 para el tubo Venturi y el diafragma
Experiencia de Reynolds
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Tabla 2. Dinámica de los fluidos PIGNAT BDF/3000 (Objetivos pedagógicos). EQUIPO 4
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL INICIO
Identificar las partes del equipo y el número de cada conexión.
Encender la banda del equipo
Válvula reguladora Rotámero
Fijar un flujo de 2m3/h
Purgar las burbujas de aire que ingresan a las conexiones
Registrar lectura
Colocar las conexiones del manómetro electrónico
Primera conexión: Toma P7; segunda conexión: toma P14
Seguir conectando en las tomas P17, P21, P29, P32
Purgar las burbujas de aire que ingresan a las conexiones
Repetir mediciones para un flujo de 4 y 5m 3/h
Repetir procedimiento con el manómetro de tubo en “U”
FIN
Fig.5. Diagrama del procedimiento experimental
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EVIDENCIAS FOTOGRAFICAS
Fig. 6. Rotámetro.
Fig. 7. Ajuste de medida.
CUESTIONARIO
A) Tabule las lecturas del manómetro electrónico y de tubo “U” para cada tramo de tubería requerido.
Conexión
7-14
7-17
7-21 EQUIPO 4
Lectura de presión en manómetro electróni co Flujo, Presión (bar) Lectura 2 m3/h 4 m3/h 5 m3/h 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2
0.0576 0.0572 0.0581 0.0576 0.1754 0.1746 0.1770 0.1756 0.0511 0.0517
0.1923 0.1930 0.1934 0.1929 0.5558 0.5589 0.5536 0.5561 0.1330 0.1333
0.2956 0.2793 0.2948 0.2899 0.6456 0.6537 0.6576 0.6523 0.2731 0.2770 9
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7-29
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3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio
0.0599 0.0543 0.2596 0.2573 0.2557 0.2575 0.3017 0.3021 0.2976 0.3004
0.1339 0.1334 0.6204 0.6126 0.6274 0.6201 0.5025 0.5198 0.5053 0.5092
0.2748 0.2749 1.1846 1.1812 1.1969 1.1875 1.3067 1.2991 1.3038 1.3032
Tabla 3. Registro de lecturas de presión en manómetro electrónico.
Lectura de presión en manómetro de tubo “U” La presión registrada para el caudal de 2m 3/h en la conexión 7-14, fue de 64 cm de H 2O, lo que equivale a 0.0627626 bar; esta fue la única lectura que fue posible realizar debido a que la presión es mayor a la escala del manómetro de tubo “U”, por lo tanto, no se pueden tomar las demás mediciones.
B) Determine el error porcentual entre las mediciones del manómetro electrónico y el de tubo “U” y establezca los límites de confianza para el de tubo “U” con respecto a manómetro electrónico.
Flujo de 2 m 3/h. Error porcentual.
ó ó ∗100 % = ó ó ó ó = |0.05760.0627626| ∗ 100 = 8.96% 0.0576 Límites de confianza. Ahora, podemos decir que el límite de confianza para el de tubo “U” con respecto al manómetro electrónico puede ser
≈ ±9 %.
B) Grafique las caídas de presión en función del caudal, determine y analice el comportamiento de los datos. Respalde su argumento teóricamente.
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Caída de presión en función del caudal 1.2 ) r a b ( n ó i s e r p e d o i d e m o r P
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1
2
3
4
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Caudal (m3/h)
7-14
7-17
7-21
7-29
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Figura 8. Grafica de caída de presión en función del caudal.
Observamos, que la caída de presión de cada diferente toma aumenta respecto a un mayor valor del caudal. Esto es debido, a que el fluido a niveles más bajos soporta un mayor peso que un fluido a un nivel por arriba de él. Teóricamente, un punto cualquiera de una masa líquida está sometida a una presión que es función únicamente de la profundidad a la que se encuentra el punto. Otro punto a la misma profundidad, tendrá la misma presión .
D) Tabule las lecturas de presión diferencial leídas en el manómetro electrónico en términos de pérdida de carga hidráulica e interprete el sentido físico de dichos valores.
Usaremos el factor de fricció n o coeficiente de resistencia de Darcy-Weisbach ( f ) que es un parámetro adimensional que se utiliza en dinámica de fluidos para calcular la pérdida de carga en una tubería debido a la fricción. Por lo tanto, emplearemos las siguiente formulas y el Anexo 1. El material del equipo es plástico de PVC, de acuerdo al anexo 1. El valor de rugosidad absoluta es de 0.0015 mm. EQUIPO 4
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PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN Cálculos.
∈ . ϵ = = . = r
510−
El cálculo de los diferentes caudales esta dado por:
= =
Entonces:
2ℎ = 0.7859 = 0.03 = 2829.4212 ℎ 2 4 ℎ = 0.03 = 5658.8424 ℎ = 1.5714 2 5ℎ = 1.9648 = 0.03 = 7073.553 ℎ 2 y la densidad de 1 . La viscosidad es de 3.2076 ∙
Para calcular la perdida de carga (Hp) necesitamos determinar bajo qué régimen se encuentra el sistema. Mediante la siguiente tabla.
Régimen Laminar sin ondulaciones Laminar con ondulaciones Turbulento liso Turbulento semirugoso Turbulento rugoso
Observaciones Re=4-25 Re=25-2000
.∗ ∈ y <0.1 ∈ Re>2000, 0.1≤ ≤0.6 ∗ ∈ Re>2000, ϵ ≥ y >0.1 Re>2000, ϵ ≤
Tabla 4. Régimen del fluido.
Calculando el número de Reynolds.
= =
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1 )(0.03) (2829.4212/ℎ)( = = = 26.4629 3.2076/ ∙ℎ 5658.8424/ℎ)(1 )(0.03) = = = 52.9259 3.2076/ ∙ℎ 12
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=
(7073.5530/ℎ)(1 )(0.03) = = = 66.1574 3.2076/ ∙ℎ
Por lo tanto el régimen del flujo es laminar con ondulaciones. Para cálculos de la pérdida de caga usaremos la ecuación de Darcy tomando en cuenta solo Reynolds.
=
64 = 2.4184 = 64 = 26..4629
=
64 = 1.2092 = 64 = 52.9259
=
64 = 0.9673 = 64 = 66.1574
Calculando la pérdida de carga con la siguiente ecuación.
ℎ() = ∙ 2
Conexión P7-P14 P7-P17 P7-P21 P7-P29 P7-P32
Q
(m3/h) 2 4 5 2 4 5 2 4 5 2 4 5 2 4 5
Longitud (m)
Velocidad (m/s)
Perdida de carga (m)
4 4 4 6 6 6 8 8 8 16 16 16 18 18 18
0.7859 1.5714 1.9648 0.7859 1.5714 1.9648 0.7859 1.5714 1.9648 0.7859 1.5714 1.9648 0.7859 1.5714 1.9648
10.1508 20.2913 25.3768 15.2262 30.4370 38.0652 20.3017 40.5827 50.7536 40.6034 81.1654 101.5073 45.6788 91.3111 114.1958
∆Pprom
(cm H2O) 0.0576 0.1929 0.2899 0.1756 0.5561 0.6523 0.0543 0.1334 0.2749 0.2575 0.6201 1.1875 0.3004 0.5092 1.3032
Tabla 5. Resultados de la pérdida de carga.
Se puede observar que la perdida de carga aumenta cuando la caída de presión aumenta.
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PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN CONCLUSIÓN. La pérdida de carga se ve manifestada en un fluido cuando su presión final comparada con la presión inicial es menor, y esto también se ve reflejado en la velocidad de fluido si llega a aumentar o disminuir. Cuando existe un mayor número de moléculas hay un mayor rozamiento de estas con la superficie que las transporta y es ahí cuando sufre una variación de presión. Estas caídas de presiones también se pueden manipular colocando accesorios en la tubería como tubos de Venturi que hace una caída de presión, pero aumento de velocidad. En el manómetro de tubo “U” la desventaja que se puede observar es que solo mide ciertas caídas de presión pequeñas no superiores a 100 cm de agua equivalente a 0.096 atm, si la presión fuese mayor tendría que buscar un medidor de U mayor a 100. En manómetro electrónico es muy fácil de usar y de fácil lectura comparado con otros.
BIBLIOGRAFIA. W.L. McCabe, J.C. Smith, P. Harriot, “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”, 4ª Ed.McGraw Hill, Madrid. C. J. Geankoplis, “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias”, Ed. C.E.C.S.A. México. División de Ingeniería de Crane Co.,”Flujo de Fluidos en Válvulas, Accesorios y Tuberías”, Ed. McGraw Hill. Consultado el 04 de octubre 2017 de https://lauraeccifisica.wordpress.com/primer-corte2/presion-absoluta-atmosferica-manometrica/ Khanacademy.(2017)¿Qué es la ecuacion de Bernoulli? Consultado el 05 de Octubre 2017 de https://es.khanacademy.org/science/physics/fluids/fluid-dynamics/a/what-is-bernoullisequation Universidad de Oviedo.Práctica de Laboratorio. Consultado el 05 de octubre 2017 de http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanica-general/Manuales/Perdidasdecarga.pdf
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PRACTICA 3: MEDIDORES DE PRESIÓN ANEXO 1
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