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Experimento de Laboratorio

El siguiente experimento muestra como se miden presiones y  se miden caudales en un tubo venturi, un rotametro y una placa orificio.  Es un experimento mostrativo de eleccion de medidores. Anticipo que, dado que la velocidad del flujo en el venturímetro y en la placa orificio no eran tan grandes, no se pudo apreciar cual era mejor, pero se presenta, durante el desarrollo de la experimentacion, que procedimiento seguir para elegir un medidor de flujo

A continuacion, se muestra el manual del equipo HM150.13 Principios Básicos de la Medida de Caudales, Gunt-Hamburg, que se usó para medir caudales, ubicado en el Laboratorio de Fluidos de la Escuela de Ingenieria de la Universidad de Chile

 

El equipo HM 150.13 Principios Básicos de la Medida de Caudales incluye tres flujómetros diferentes y pueden inspeccionarse experimentalmente las siguientes relaciones:

- Comparación de diferentes flujómetros

- Inspeccionar las relaciones entre flujo y presión en la medición del caudal de paso

- Determinar las cifras de flujo

- Calibrar flujómetros

                7

 

El equipo contiene un flujómetro Venturi (3), un diafragma (4) para la medición del caudal de paso y un flujómetro flotador (5). El caudal puede regularse con el grifo de bola (6).

Las pérdidas de presión de los medidores pueden leerse mediante empalmes de presión con acoplamientos rápidos. Los empalmes se unen con un manómetro multitubos séxtuple (2); éste posee una válvula de aireación. El caudal puede medirse con el Banco Básico para Hidrodinámica HM 150 (medición del caudal de paso volumétrica). El medidor Venturi y de diafragma se han fabricado de plexiglás para una mejor observación de los procesos de corriente.

Todos los componentes del banco experimental están ordenados esquemáticamente en una placa de base con un bastidor (1).

El equipo ha de usarse junto con el Banco Básico para Hidrodinámica HM 150 para que estén garantizados el abastecimiento de agua y la medición volumétrica de la corriente de volumen.

 

El manómetro multitubos séxtuple posee 6 cilindros de cristal con una escala de mm para la medición de la columna de agua (CA). Aquí se usa a menudo la unidad mmCA. (10mmCA =^ 1mbar)

- Rango de medición 300mmCA

- Todos los tubos están unidos entre sí en el

extremo superior y aireados por una válvula

común de aireación.

- La medición de la presión diferencial tiene

lugar con válvula cerrada de aireación, la medición

de la presión absoluta con válvula abierta

de aireación.

 

Preparar y realizar una medición de la presión

- Empalmar las mangueras de unión

- Todas las válvulas se abren y lavan el manómetro

multitubos séxtuple hasta que no son

visibles más burbujas (aprox. 1 min)

- Cerrar el grifo de bola (volumen de salida)

- Abrir la válvula purgadora de agua y airear el

manómetro séxtuple.

- Empalmar la válvula de aireación al manómetro

multitubos séxtuple

- Parar la entrada de agua

- Quitar las mangueras de unión al manómetro

multitubos séxtuple.

- Abrir la válvula de aireación y purgadora de

agua y ajustar el nivel de agua en los manómetros

multitubos

- Cerrar de nuevo las dos válvulas.

- Abrir con cuidado el grifo de bola

- Empalmar de nuevo las mangueras de unión

- Abrir con cuidado la entrada de agua.

- Ajustar las alturas de la columna de agua en

los tubos con ayuda del grifo de bola, hasta que

el agua se vea en los tubos.

- Ajustar el caudal y la altura de la columna de

agua a través de la entrada o salida de agua

 

Rotámetro

El Rotámetro usado posee las siguientes características: 

- Carcasa de plástico transparente

- Flotador extraíble, acero fino

- Escala de porciento extraíble, referida al caudal

máx.

- Caudal máx. (100%) 1600 l/h

( Rotámetro)

El caudal se lee en el canto superior del flotador. Burbujas u otras suciedades provocan imprecisiones en la medición. Para evitarlo, al comienzo de una medición se debe  lavar la instalación abriendo completamente todas las válvulas.   

   

 

Diafragma y boquilla

La carcasa del Diafragma/Boquilla es de plexiglás para permitir una observación de la función. El caudal provoca una pérdida de presión entre la entrada y salida, que puede ser leído con los empalmes de medición. La pérdida de presión .p es una medida para el volumen de salida:

Con K = 231 lt/(h sqrt(mbar)) para la boquilla y K = 291 para el diafragma.

Venturímetro

Para ver la composición de un venturímetro, la carcasa se ha construido de plexiglás. Las relaciones de presión en el venturímetro siguen la ley de Bernoulli. De esta ley resulta, analógicamente a la Boquilla/Diafragma, la siguiente relación entre diferencia de presión .p (a leer con empalmes de medición) y volumen de salida V

Con k = 240

Datos técnicos

Manómetro multitubos múltiple para agua

séxtuple: 300 mmH2O

Venturímetro:

NominalØ: 28.4 mm

min. Ø: 14.0 mm

Diafragma y boquilla:

NominalØ: 28.4 mm

BoquillaØ: 18.5 mm

Diafragma-Ø: 14.0 mm

Flujómetro flotante:

1600 Ltr/h

Medidas principales

(L x An x Al): 1100 x 640 x 870 mm

Peso: 40 kg

 

Desarrollo Experimental

Una vez leidas las instrucciones de uso, se procede a la toma de datos, y posterior análisis.

Primero se midió el caudal máximo, el resultado fue que cuando el caudal estaba en un 100%, el agua sale a razón de 10 litros en 21 segundos, lo que da un caudal máximo Qmáx=1730 [l/h].

            Posteriormente se procedió a medir las diferencias de presión en el diafragma y en el venturímetro (entre los puntos 1 y 3), para distintos caudales los resultados obtenidos fueron los siguientes:

 

%Q

DP Diafragma

[mmCa]

DP Venturímetro

[mmCa]

20,00

15,00

12,00

26,00

25,00

27,00

30,00

37,50

37,00

35,00

55,00

55,00

40,00

70,00

70,00

45,00

90,00

90,00

51,00

115,00

112,00

55,00

130,00

133,00

 

Se puede graficar los resultados obtenidos hasta ahora , tomando en cuenta que 10mbar=1mmCa. A Continuación se muestra un gráfico de diferencia de presión versus porcentaje de caudal:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            De este gráfico se ve que las diferencias de presión en el Venturímetro y en el diafragma son prácticamente las mismas, y que además la relación entre el caudal y la diferencia de presión es de la forma  Que es lo que se esperaba.

 

Ocupando la ecuación:

Se puede calcular el caudal estimado según la formula, ya que sabemos para el diafragma  k=298 , y para el venturímetro k=240 . El Caudal real se calcula tomando %Q como el porcentaje del caudal máximo Qmáx. Los resultados se resumen en la siguiente tabla:

 

Q real

[l/h]

Q diafragma

[l/h]

Q venturímetro

[l/h]

346,00

358,85

262,91

449,80

463,27

394,36

519,00

567,39

461,65

605,50

687,15

562,85

692,00

775,21

634,98

778,50

879,00

720,00

882,30

993,61

803,19

951,50

1056,43

875,26

 

Lo que se puede resumir en el siguiente gráfico:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             Del gráfico no se puede afirmar cual de los dos (Venturímetro o Diafragma) es mejor para estimar el caudal, pues ambos tienen pequeñas diferencias entre el caudal real y el estimado.

 

- Presión en el Venturímetro:

            Se midieron las presiones en los 6 puntos que se ven en la figura del venturímetro, para los distintos caudales, los resultados se muestran a continuación en la siguiente tabla:

 

                                                           1   2  3    4     5     6

 

 

  

 

 

%Q

Q

[l/h]

Q

[m3/s]

Presiones

[mmCa]

1

2

3

4

5

6

21,00

363,30

0,0001009

140

140

130

135

142

144

25,50

441,15

0,0001225

152

150

125

136

145

147

30,00

519,00

0,0001442

157

155

120

136

147

150

40,00

692,00

0,0001922

170

165

100

135

153

157

50,00

865,00

0,0002403

187

180

75

130

160

167

55,50

960,15

0,0002667

197

188

60

127

160

173

61,20

1058,76

0,0002941

210

200

40

125

170

180

65,00

1124,50

0,0003124

220

205

25

123

175

185

70,00

1211,00

0,0003364

233

216

7

120

182

195

 

Con el propósito de ver la distribución de presiones más explícitamente dentro del Venturímetro para los distintos caudales. Se muestra a continuación las curvas de Presionen los puntos del venturímetro para los distintos caudales:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

En este gráfico de las curvas, se observa como la caída de presión en la garganta del venturímetro es cada vez más abrupta, además se ve que a medida que aumenta el caudal aumenta la diferencia de presiones en cada punto del venturímetro, manteniéndose un sector en donde la presión es la misma para todos los caudales que se observa en el gráfico es entre los puntos 2 y 3, y entre los puntos 4 y 5.

 

Del venturímetro se conocen los diámetros internos de cada punto, con lo que se puede calcular el área por donde pasa el agua, y con esto se puede calcular las velocidades mediante la ecuación V=Q/A, y como se sabe, por conservación de la masa, el caudal es constante. Los diámetros y áreas se encuentran a continuación.

 

 

 

Diámetros  y áreas [en cada punto del venturímetro]

1

2

3

4

5

6

Diámetro [mm]

28,40

22,50

14,00

17,20

24,20

28,40

Área [m2]

0,00063347

0,00039761

0,00015394

0,00023235

0,00045996

0,00063347

 

Con esto se calculo la distribución de velocidades que debería haber en el venturímetro para los distintos caudales medidos, a continuación se muestra la tabla con las velocidades calculadas y un gráfico:

 

Q

[l/h]

Distribución de velocidades [m/s]

1

2

3

4

5

6

363,30

0,1593

0,2538

0,6556

0,4343

0,2194

0,1593

441,15

0,1934

0,3082

0,7960

0,5274

0,2664

0,1934

519,00

0,2276

0,3626

0,9365

0,6205

0,3134

0,2276

692,00

0,3034

0,4834

1,2487

0,8273

0,4179

0,3034

865,00

0,3793

0,6043

1,5609

1,0341

0,5224

0,3793

960,15

0,4210

0,6708

1,7325

1,1479

0,5799

0,4210

1058,76

0,4643

0,7397

1,9105

1,2658

0,6394

0,4643

1124,50

0,4931

0,7856

2,0291

1,3444

0,6791

0,4931

1211,00

0,5310

0,8460

2,1852

1,4478

0,7313

0,5310

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

De este gráfico se ve como la velocidad aumenta más que proporcionalmente a medida que se disminuye el área de paso, además se ve que al ir aumentando el caudal la diferencias entre las velocidades entre los distintos puntos aumenta.

 

Por último como se conocen las velocidades y las presiones en cada punto para cada caudal se puede calcular el bernoulli de cada punto y ver si para un mismo caudal este se conserva o no, la ecuación del Bernoulli de un líquido en unidades de longitud es la siguiente:

Luego podemos calcular el Bernoulli de cada punto aprovechando que la presión ya la tenemos en unidades de longitud, y despreciando los cambios de altura, los resultados se muestran en la siguiente tabla, y en el siguiente gráfico:

 

Q

[l/h]

Bernoulli [m]

1

2

3

4

5

6

363,30

0,1413

0,1433

0,1519

0,1446

0,1445

0,1453

441,15

0,1539

0,1548

0,1573

0,1502

0,1486

0,1489

519,00

0,1596

0,1617

0,1647

0,1556

0,1520

0,1526

692,00

0,1747

0,1769

0,1796

0,1699

0,1619

0,1617

865,00

0,1943

0,1986

0,1993

0,1846

0,1739

0,1743

960,15

0,2060

0,2110

0,2131

0,1942

0,1772

0,1820

1058,76

0,2210

0,2279

0,2262

0,2067

0,1909

0,1910

1124,50

0,2324

0,2365

0,2351

0,2152

0,1985

0,1974

1211,00

0,2474

0,2525

0,2506

0,2269

0,2093

0,2094

 

 

Del gráfico se puede ver que para caudales pequeños, la energía del líquido se conserva, pero a medida que se aumenta el caudal la perdida de energía aunque es pequeña se hace más pronunciada. Además se ve que extrañamente en la garganta del venturímetro hay un aumento de la energía. Las perdidas de energía se deben básicamente al roce con el tubo, y además hay que tomar en cuenta que al hacer bernoulli, se debe tomar un factor de corrección a en la velocidad ya que el flujo no es necesariamente uniforme.

 

Conclusiones

 

La relación dmactual/dt = CA2{r(p1-p2)}0.5{1-(A2/A1)}-0.5,  que representa el caudal masico actual donde A2 es el area de la contraccion y A1 , la de la entrada y la diferencia de presiones se ha tomado en (1) (entrada) y en 2 (justo a la salida de la contraccion)que podemos escribir mejor como dmactual/dt = KA2{r(p1-p2)}0.5 nos conocer qué tanto de caudal esta pasando realmente.

La idea es encontrar K y C de manera experimental para un cierto tipo de flujo. Para flujos turbulentos, se pueden encontrar relaciondes que expresan C y K en funcion del numero de Reynolds y otros parametros, que no se estudian aca, pues no es el proposito de este experimento

Para el caso de la placa orificio, la seccion contractada tiene bordes afilados, donde no se acumularan incrustaciones o materia suspendida. La contraccion produce una diferencia de presion notable a medida que aumentamos el caudal ( por la ecuacion de Bernoulli), y por lo mismo, se pierde carga pues la expansion del flujo es incontrolada aguas abajo, que es una desventaja junto con la capacidad limitada de la placa. Sin embarlo, la placa orificio es de geometria y facil instalacion, por lo que si las mediciones no implican flujos muy caudalosos, puede ser de utilidad tener que ocupar una placa orificio para abaratar costos.

 

Para el caso del Venturi, la expancion del caudal, una vez pasado por la contraccion, es mucho mas regulada que en la placa orificio, por lo que reducimos la perdida de carga mas baja que en la placa orificio. Ademas, dada la seccion conica a la salida de la contraccion, la geometria del tubo y las bajas perdidas, se logra recuperar la presion notoriamente. Pero entre las desventajas estan en la parte economica, ya que la construccion de los tubos venturi se diseñan para mejorar el rendimiento y la capacidad, por lo que son pesados, voluminosos y consecuentemente mas caros, pero si se desea tener una buena toma de caudal, usar un venturi serà la mejor opción.

 

Finalmente podemos observar que ,de la relacion anterior para el flujo masico actual, las diferencias de presiones son proporcionales al caudal y por lo tanto ,en este experimento a flujos relativamen lentos, no podemos decidir con exactitud, con que medidor quedarnos.

 

Agradeciemientos a Viviana Meruane y Giovanni González , participantes de este experimento

 

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