UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA DE INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES COMPUTACIONALES CURSO DE NIVELACIÓN SEPTIEMBRE 2013
PROYECTO DE FÍSICA GRUPO 8 TEMA: EL TUBO VENTURI
INTEGRANTES: GARY PLUAS RICHARD RODRIGUEZ STEVEN RAMON CRISTHIAN QUIMIS MANUEL MÉNDEZ
CURSO: M05 DOCENTE: ING. MARIO MOLINA
GUAYAQUIL-ECUADOR
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1 EL PROBLEMA ........................................................................................................................... 2 OBJETIVOS ................................................................................................................................ 2 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... 2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................ 3 JUSTIFICACIÓN. ....................................................................................................................... 3 MARCO TEÓRICO. ................................................................................................................... 3 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. .................................................................... 3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS ............................................................................ 4 HIDRODINÁMICA .................................................................................................................. 9 CARACTERÍSTICAS Y LEYES GENERALES .................................................................. 9 PRINCIPIO DE BERNOULLI .............................................................................................. 1 0 EFECTO VENTURI .............................................................................................................. 1 1 APLICACIONES DEL EFECTO VENTURI....................................................................... 1 2 METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................................... 13 MATERIALES: .......................................................................................................................... 13 PROCEDIMIENTO: .................................................................................................................. 1 3 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS ............................................... 14 CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 14 ANEXOS .................................................................................................................................... 1 5 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 16
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INTRODUCCIÓN
Esta investigación tiene como objetivo principal estudiar el efecto, funcionamiento y las aplicaciones tecnológicas del Tubo Venturi, del cual su invención data de los años 1.800 y es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Su creador luego de muchos cálculos y pruebas logró diseñar un tubo para medir el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad de tiempo. Principalmente su función se basó en esto sin embargo, algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono. Estos modelos se utilizan en numerosos dispositivos en los que la velocidad de un fluido es importante. La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad. En la hidráulica se utiliza frecuentemente para la fabricación de máquinas que proporcionan aditivos en una conducción, en la aeronáutica se utiliza este tubo para proveer succión a los instrumentos que trabajan con vacío (Coordinador de giro, Horizonte artificial, etc.), en motores de autos el carburador aspira el carburante por efecto Venturi, en la odontología el sistema de aspiración de saliva en los equipos dentales antiguos utilizaban tubos finos Venturi, en cardiología y en muchas otras ramas de la ciencia. Es por eso la importancia de conocer el ya mencionado medidor y sus aplicaciones. Se espera que con el desarrollo de esta investigación más los conocimientos adquiridos en salón de clases, ofrecer a nuestros compañeros e interesados en la materia un material de apoyo para futuras investigaciones.
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EL PROBLEMA
Construir un tubo Venturi, con materiales accesible. Para calcular el caudal de flujo y conocer su funcionamiento y aplicación.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Diseñar y construir un medidor de flujo donde se determine el caudal de flujo y aplicar el principio de Bernoulli, para ello se seleccionó el tubo Venturi con la instalación de un manómetro diferencial.
OBJETIVOS
Estudiar el efecto, funcionamiento y las aplicaciones tecnológicas del Tubo Venturi. Observar las diferentes variaciones que se presentan mientras se trabaja con el medidor de Venturi. Llegar a conocer los medios correspondientes para evitar los diferentes errores que se presentan durante todo el proceso. Reconocer medios posibles para hacer de los Tubos de Venturi medidores de caudal aplicables de manera práctica y sencilla.
OBJETIVO GENERAL
Diseño y construcción de un tubo Venturi.
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Recopilar toda la información posible acerca de la investigación en Cuestión. Ordenar la información obtenida del tema de la investigación. Diseño y construcción del tubo Venturi. Realizar pruebas del funcionamiento al mismo. Efectuar recomendaciones para futuros proyectos. Determinar el gasto de flujo circulante por el tubo Venturi Aplicación del principio de Bernoulli .
JUSTIFICACIÓN.
La presente investigación fluye por la necesidad de buscar alternativas que permitan desarrollar y ampliar conocimientos en cuanto a las aplicaciones y efectos del tubo Venturi.
MARCO TEÓRICO.
Cuando el fluido fluye por el dispositivo ocurren pérdidas de energía que trae como consecuencia una disminución de la presión, por ello se realizó la investigación de dicho tema, asimismo obtener el caudal circulante por el tubo Venturi. Para la comprensión de éste debemos nombrar los siguientes aspectos:
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN.
Giovanni Battista Venturi, físico italiano mostró en 1797 que la contracción del flujo a la entrada de un tubo cilíndrico, ocasionaba disminución local de la presión y generación de remolinos. Luego reemplazó el cilindro por dos secciones cónicas, las cual llamó toberas de cono y que luego seria llamada tubo Venturi en su honor, elimina los remolinos y por lo tanto incrementa el flujo. El tubo Venturi mide flujo comprensible y no comprensible, gases y líquidos respectivamente.
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Este instrumento, tiene una sección de entrada de diámetro igual a la tubería de conducción, esta conduce a un cono de convergencia angular fijo, terminando en una garganta de diámetro inferior, ésta garganta se comunica con un cono de salida divergente fijo, cuyo diámetro es igual al de entrada. El tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo, algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono. Estos modelos se utilizan en numerosos dispositivos en los que la velocidad de un fluido es importante y constituyen la base de aparatos como el carburador. La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad. Cuando se utiliza un tubo de Venturi hay que tener en cuenta un fenómeno que se denomina cavitación. Este fenómeno ocurre si la presión en alguna sección del tubo es menor que la presión de vapor del fluido. Para este tipo particular de tubo, el riesgo de cavitación se encuentra en la garganta del mismo, ya que aquí, al ser mínima el área y máxima la velocidad, la presión es la menor que se puede encontrar en el tubo. Cuando ocurre la cavitación, se generan burbujas localmente, que se trasladan a lo largo del tubo. Si estas burbujas llegan a zonas de presión más elevada, pueden colapsar produciendo así picos de presión local con el riesgo potencial de dañar la pared del tubo. En este sentido, el tubo Venturi mide flujos comprensibles y no comprensibles gases y líquidos respectivamente. Su funcionamiento es: al disminuir el diámetro disminuye la presión y aumenta la velocidad del flujo. Al colocar un manómetro en la garganta se mide la caída de presión y hace posible el calculo del caudal instantáneo.
DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
Caudal. En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa por determinado elemento el] la unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. 4
Presión. Fuerza ejercida por un líquido, o por un gas, sobre cada cm2, o cada m2, de la superficie de un sólido con el que está en contacto.
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.
Presión Manométrica. Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe.
Vacío. Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente.
Fluido Incomprensible. Es aquel en el cual la densidad de una parcela no es afectada por cambios de presión isotérmicos, es decir, que no se puede comprimir.
Velocidad. Ritmo de movimiento que se expresa como la distancia recorrida en una unidad de tiempo, por ejemplo: Velocidad = Distancia sobre Tiempo.
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El Tubo Venturi. "El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, consta de una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro ó instrumento registrador en la garganta se mide la caída de presión y hace posible calcular el caudal instantáneo". El tubo Venturi se fabrica con materiales diversos según la aplicación de destino, el material más empleado es acero al carbono, también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión. El tubo Venturi ofrece ventajas con respecto a otros captadores, como son:
1. Menor pérdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la tobera de flujo, gracias a los conos de entrada y salida. Generalmente los tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro, de 12" en adelante, ahí las placas de orificio producen pérdidas de carga importantes y no se consigue una buena medida, el venturi se utiliza en conductores de aire ó humos con conductos no cilíndricos, en tuberías de cemento grandes, para conducción de agua, etc. Según la naturaleza de los fluidos de medida, se requieren modificaciones en la construcción del tubo Venturi como son: eliminación de los anillos de ecualización, inclusión de registros de limpieza, instalación de purgas, etc. En el corte transversal se aprecian los anillos circulares que rodean el tubo Venturi en los puntos de medida. Esos anillos huecos conectan el interior del tubo mediante orificios en número de cuatro ó más, espaciados uniformemente por la periferia. El fluido, al circular, pasa por estos orificios y por el anillo donde se encuentran los racores que se conectan al transmisor.
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Manómetros de líquido Son los instrumentos más antiguos para medir la presión. Se basan en el equilibrio de columnas líquidas. Actualmente se usan poco en procesos industriales en virtud de las desventajas que resultan de la presencia del líquido. Los tipos de manómetro de líquido de mayor uso son: Manómetro de tubo en V, de ramas iguales, Manómetro de flotador, Manómetro de tubo sencillo, Manómetro de campana
Manómetro anular El tubo de Venturi permite mayor precisión que el orificio, además, se recupera en gran parte la caída de presión. Otra de las ventajas es que tenemos mayor constancia en las indicaciones a lo largo del tiempo, es decir, existe mayor repetición. El tubo de Venturi es particularmente recomendable para líquidos con sólidos en suspensión. La única desventaja del tubo de Venturi es el costo elevado. Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber en todo momento cuáles son las principales características de los flu idos, que pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones.
Gasto: Q=K pérdida de carga Tipo flujo ~ N° de Reinolds Coeficiente de descarga (cd): Para el tubo venturi generalmente varía entre 0,932 y 0,967. Pérdida de carga: Para determinar la pérdida de carga de los venturi, se utiliza un manómetro diferencial. 7
Q=K (12,6h _hf) SE=O,785 de K=E (2gl (de/dg) -1) Dg= diámetro garganta De= diámetro tubería conducción H= diferencia de nivel en el manómetro Hf= pérdida por frotamiento (se desprecia)
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HIDRODINÁMICA
Para el estudio de la hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes:
Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases. Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento. Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estable o estacionario, es decir, que la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo.
La hidrodinámica tiene numerosas aplicaciones industriales, como diseño de canales, construcción de puertos y presas, fabricación de barcos, turbinas, etc. Daniel Bernoulli fue uno de los primeros matemáticos que realizó estudios de hidrodinámica.
CARACTERÍSTICAS Y LEYES GENERALES
La hidrodinámica o fluidos en movimientos presentan varias características que pueden ser descritas por ecuaciones matemáticas muy sencillas. Entre ellas: Ley de Torricelli: si en un recipiente que no está tapado se encuentra un fluido y se le abre al recipiente un orificio la velocidad con que caerá ese fluido será:
La otra ecuación matemática que describe a los fluidos en movimiento es el número de Reynolds:
Donde d es la densidad v la velocidad D es el diámetro del cilindro y n es la viscosidad dinámica.
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Caudal El caudal o gasto es una de las magnitudes principales en el estudio de la hidrodinámica. Se define como el volumen de líquido que fluye por unidad de tiempo. Sus unidades en el Sistema Internacional son los m3/s y su expresión matemática:
Esta fórmula nos permite saber la cantidad de líquido que pasa por un conducto en cierto intervalo de tiempo o determinar el tiempo que tardará en pasar cierta cantidad de líquido.
PRINCIPIO DE BERNOULLI
El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía en los líquidos en movimiento. Establece que en un líquido incompresible y no viscoso, la suma de la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el circuito. Es decir, que dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos del circuito. Su expresión matemática es:
Donde es la presión hidrostática, la densidad, la aceleración de la gravedad, la altura del punto y la velocidad del fluido en ese punto. Los subíndices 1 y 2 se refieren a los dos puntos del circuito. La otra ecuación que cumplen los fluidos no compresibles es la ecuación de continuidad, que establece que el caudal es constante a lo largo de todo el circuito hidráulico:
Donde es el área de la sección del conducto por donde circula el fluido y su velocidad media.
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EFECTO VENTURI
El efecto Venturi (también conocido tubo de Venturi) consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido que va a pasar al segundo conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe su nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822). El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, necesariamente la velocidad aumenta tras atravesar esta sección. Por el teorema de la conservación de la energía mecánica, si la energía cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye forzosamente.
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APLICACIONES DEL EFECTO VENTURI
• Aeronáutica: Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar
la sustentación producida en a las de aviones el efecto Venturi por sí solo no es suficiente para explicar la sustentación aérea. Durante la Primera Guerra Mundial, Albert Einstein diseñó para el ejército alemán un modelo de ala a partir de un análisis del principio de Bernoulli y el efecto Venturi. El prototipo que llegó a ser construido no pudo apenas despegar. • Hogar: En los equipos ozonificadores de agua, se utiliza un pequeño tubo
Venturi para efectuar una succión del ozono que se produce en un depósito de vidrio, y así mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con la idea de destruir las posibles bacterias patógenas y de desactivar los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfección con cloro. La principal ventaja del Vénturi estriba en que sólo pierde un 10 - 20% de la diferencia de presión entre la entrada y la garganta. Esto se consigue por el cono divergente que desacelera la corriente. Es importante conocer la relación que existe entre los distintos diámetros que tiene el tubo, ya que dependiendo de los mismos es que se va a obtener la presión deseada a la entrada y a la salida del mismo para que pueda cumplir la función para la cual está construido. Esta relación de diámetros y distancias es la base para realizar los cálculos para la construcción de un Tubo de Venturi y con los conocimientos del caudal que se desee pasar por él. Deduciendo se puede decir que un tubo de Venturi típico consta, como ya se dijo anteriormente, de una admisión cilíndrica, un cono convergente, una garganta y un cono divergente. La entrada convergente tiene un ángulo incluido de alrededor de 21°, y el cono divergente de 7 a 8°. La finalidad del cono divergente es reducir la pérdida global de presión en el medidor; su eliminación no tendrá efecto sobre el coeficiente de descarga. La presión se detecta a través de una serie de agujeros en la admisión y la garganta; estos agujeros conducen a una cámara angular, y las dos cámaras están conectadas a un sensor de diferencial de presión. • Motor: En la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se
pude observar en lo que es la Alimentación de Combustible. Los motores requieren aire y combustible para funcionar. Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire para quemarse, y debe existir algún mecanismo dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la proporción correcta. A ese dosificador se le denomina carburador, y se basa en 12
el principio de Vénturi: al variar el diámetro interior de una tubería, se aumenta la velocidad del paso de aire. El carburador aspira el carburante por efecto Venturi, mezclándolo con el aire (fluido del conducto principal), al pasar por un estrangulamiento.
METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN
La metodología empleada en esta investigación se basó en recopilar información bibliográfica e Internet y trabajo de campo, aunada a conocimientos previos y asesoramiento docente para la elaboración de éste proyecto.
MATERIALES: 2
botellas plástica 1 union de plástico ½ metro de manguera transparente Un tablero que sirva como base Una aspiradora Pegamento (silicona) 2 tapas de tarrina Tijeras Colorante
PROCEDIMIENTO:
Cortamos las bases de ambas botellas a la misma medida. Hacemos un agujero central en las tapas de tarrina de unos 6cm de diámetro. Pegamos con silicona las tapas de las tarrinas en el lugar donde cortamos las botellas. Hacemos un agujero del diámetro de la manguera en el centro de la unión plástica. Unimos las dos botellas con la unión plástica.
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Hacemos un agujero similar al que hicimos en la unión en una de las botellas. Ponemos agua con colorante en la manguera Unimos los agujeros de la botella y la unión con la manguera transparente y sellamos con silicona Conectamos la aspiradora a un extremo de la botella. Encendemos la aspiradora. Observamos los resultados.
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS
Luego de la construcción artesanal del tubo Venturi se procedió a comprobar su funcionamiento obteniéndose así resultados esperados en los cuales la presión disminuía en el tramo de sección divergente, debido a la reducción del diámetro y debido a esto el aumento de la velocidad del fluido. Se determinó de igual manera el gasto por la diferencia de presión existente entre un punto en el tramo convergente y otro punto en la garganta del Venturi aplicando también el principio de Bernoulli.
CONCLUSIONES
Luego de haber realizado este proyecto se puede decir que el Tubo de Venturi es un dispositivo, el cual puede ser utilizado en muchas aplicaciones tecnológicas y aplicaciones de la vida diaria, en donde conociendo su funcionamiento y su principio de operación se puede entender de una manera más clara la forma en que este nos puede ayudar para solventar o solucionar problemas o situaciones con las cuales nos topamos diariamente. Es indispensable para la parte de diseño tener los conocimientos referidos al cálculo de un Tubo de Venturi, los cuales se pueden realizar haciendo la relación entre los distintos diámetros del tubo, como por ejemplo el de la entrada del tubo, la garganta y la salida del tubo; igualmente teniendo el conocimiento del caudal que va a entrar en el mismo, o que se desea introducir para cumplir una determinada función (como la de crear vacío) y tomar muy en cuenta las presiones que debe llevar el fluido, ya que esto va a ser el factor más fundamental para que su función se lleve a cabo. Finalmente se puede decir que el Tubo de Venturi es un dispositivo que por medio de cambios de presiones puede crear condiciones adecuadas para la realización de actividades que nos mejoren el trabajo diario, como lo son sus aplicaciones tecnológicas. 14
ANEXOS
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BIBLIOGRAFÍA
El Tubo de Venturi [En línea] / aut. Guadalajara Universidad de. - 2011 de 10 de 23. http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/ venturi/index.html Mecánica De Los Fluidos [Libro] / aut. Victor L. Streeter E. Benjamin Wylie. Mexico : McGRAW-HILL. - Octava. Mecanida De Fluidos [Libro] / aut. Mott Robert L.. - México : Pearson Educación, 2006. - Sexta. http://www.monografias.com/trabajos6/tube/tube.shtml http://www.slideshare.net/albeiroo/tubo-de-venturi-y-de-pitot?from_search=2 http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Venturi http://www.youtube.com/watch?v=wBP18ghl6NM http://www.youtube.com/watch?v=mNCQm9P86FM
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