UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

MEDIDA DE GASTO CON TUBO VENTURI Y DIAFRAGMA DE ORIFICIOINFORME DE EXAMEN DE HABILIDADES DE LABORATORIO DE OPERACIONES Y PROCESOS EN INGENIERIA QUIMICA

PRESENTADO POR:Bach. LUZMILA GUTIERREZ CHIRINOS

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE: INGENIERO QUIMICOPUNO - PERU 2011

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICACARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICAMEDIDA DE GASTO CON TUBO VENTURI Y DIAFRAGMA DE ORIFICIO

INFORME DE EXAMEN DE HABILIDADES DE LABORATORIO DE OPERACIONES Y PROCESOS EN INGENIERIA QUIMICA

PRESENTADO POR:Bach. LUZMILA GUTIERREZ CHIRINOSPARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO QUIMICOAPROBADO POR EL JURADO REVISOR CONFORMADO POR:

PRESIDENTE

:

. Ing. M.Sc. Salomn TTITO LEON

PRIMER MIEMBRO :

. Ing. M.Sc. Moiss PEREZ CAPA

SEGUNDO MIEMBRO

:

Ing. M.Sc. Mara RODRIGUEZ MELO

PUNO PER 20111

DEDICATORIA

El presente informe va dedicado con mucho cario a mi esposo Wilber, quien me brinda su apoyo constante.

A mis hijos Marcelo Alexis y Camila que son las personas ms

importantes de mi vida.

A mis padres Germn y Eduarda por el gran apoyo brindado en mi formacin profesional.

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INDICE DEDICATORIA ....................................................................................................... 2 INDICE ..................................................................................................................... 3 RESUMEN ............................................................................................................... 4 INTRODUCCION .................................................................................................... 5 1. OBJETIVO GENERAL: .................................................................................... 6 1.1. OBJETIVO ESPECFICO: .......................................................................... 6 2. FUNDAMENTO TERICO: ............................................................................. 6 2.1. ANTECEDENTES HISTORICOS ................................................................ 6 2.2. FUNDAMENTOS TECNOLGICOS DE LA MECNICA DE FLUIDOS. ................................................................................................................................... 7 2.3. FACTORES PARA LA ELECCION DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO. ................................................................................................................. 12 2.4. MEDIDORES DE CABEZA VARIABLE .................................................. 14 2.4.1. Tubo De Venturi ...................................................................................... 14 2.4.2 Medidores de orificio................................................................................ 18 2.4.3. Boquilla o tobera de flujo ...................................................................... 21 2.5. MEDIDORES DE AREA VARIABLE ........................................................ 23 3. PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................... 30 3.1. Materiales y Equipos.................................................................................. 30 3.2. Procedimiento .............................................................................................. 30 3.3. CALCULOS ................................................................................................... 31 3.3.1 MEDIDOR DE VENTURI ......................................................................... 31 3.3.2 MEDIDOR DE DIAFRAGMA DE ORIFICIO (banco de tubos salcedo) .................................................................................................................. 34 3.3.3 MEDIDOR DE DIAFRAGMA DE ORIFICIO (banco de tubos laboratorio de operaciones unitarias) ............................................................ 38 4. ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS............................................ 42 5. CONCLUSIONES: ........................................................................................... 43 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 44

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RESUMEN El presente informe MEDIDA DE GASTO CON TUBO VENTURI Y

DIAFRAGMA DE ORIFICIO tiene por objeto evaluar los medidores de flujo como son los de tubo de venturi y diafragma de orificio que se encuentran en el banco de tubos de salcedo y en el laboratorio de operaciones unitarias de la Facultad de Ingeniera Quimica. Para lo cual se hizo correr a cuatro caudales distintos para cada uno de los medidores de flujo para lo cual se trabajo con agua como fluido a una temperatura de 15 C y una densidad de 999.12Kg/m3 y una viscosidad de 0.00114 Kg/ms. En cuanto al medidor de venturi del banco de tubos de Salcedo, los caudales medidos con el contmetro fueron de 0.000446, 0.000568, 0.000563 y 0.000466 m3/s. y los mismos caudales calculados con el tubo venturi, se obtuvo los siguientes resultados 0.000434, 0.00551, 0.000560 y 0.000469 m3/s respectivamente. Dndonos un porcentaje de error promedio de 1.685 % que es un porcentaje aceptable. Con respecto al medidor de diafragma de orificio del Banco de tubos de Salcedo se trabajo con los siguientes caudales 0.000584, 0.000570, 0.000495 y 0.000320 m3/s, los cuales fueron medidos con el medidor de orificio obtenindose los siguientes caudales 0.000433, 0.00423, 0.000404 y 0.000312 m3/s siendo el porcentaje de error promedio 18.16% el cual no nos da confiabilidad para nuestras medidas en la prctica es mejor usar el medidor de tubo venturi. Siguiendo el mismo procedimiento para el diafragma de orificio del banco de tubos del laboratorio de operaciones unitarias el porcentaje de error promedio es de 1.0975 % lo cual nos da mayor confiabilidad en la medida de caudales.

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INTRODUCCION La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinacin de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccin por unidad de tiempo. Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan, habitualmente, caudalmetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores (contmetro), los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccin. Los medidores de caudal volumtrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas: Directamente, mediante dispositivos de desplazamiento positivo, o Indirectamente, mediante dispositivos de: presin diferencial, rea variable, velocidad, fuerza, etc. Puesto que la medida de caudal volumtrico en la industria se realiza, generalmente, con instrumentos que dan lugar a una presin diferencial al paso del fluido, abordaremos en primer lugar los medidores de presin diferencial. Esta clase de medidores presenta una reduccin de la seccin de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energa cintica y, por consiguiente, su presin tiende a disminuir en una proporcin equivalente, de acuerdo con el principio de la conservacin de la energa, creando una diferencia de presin esttica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor.

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1. OBJETIVO GENERAL: -Determinar experimentalmente el caudal para un medidor venturi y para una placa orificio. 1.1. OBJETIVO ESPECFICO: - Comparar los valores prcticos con valores del caudal medido con el contmetro. 2. FUNDAMENTO TERICO: 2.1. ANTECEDENTES HISTORICOS La mecnica de fluidos podra aparecer solamente como un nombre nuevo para una ciencia antigua en origen y realizaciones, pero es ms que eso, corresponde a un enfoque comportamiento de los lquidos y los gases. Los principios bsicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a travs de los siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos cientficos como Da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli, Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes aportes tericos a lo que se denomina hidrodinmica. Tambin en el campo de hidrulica experimental hicieron importantes contribuciones Chezy, Ventura, Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y otros, fundamentalmente durante el siglo XIX. Hacia finales del siglo XIX la hidrodinmica y la hidrulica experimental presentaban una cierta rivalidad. Por una parte, la hidrodinmica clsica aplicaba con rigurosidad principios matemticos para modelar el comportamiento de los fluidos, para lo cual deba recurrir a simplificar las propiedades de estos. As se hablaba de un fluido real. Esto hizo que los resultados no fueran siempre aplicables a casos reales. Por otra 6 especial para estudiar el

parte, la hidrulica experimental acumulaba antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar importancia a al formulacin de una teora rigurosa. La Mecnica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo para unir estas dos tendencias: experimental y cientfica. Generalmente se reconoce como fundador de la mecnica de fluidos modela al alemn L. Prandtl (1875-1953). Esta es una ciencia relativamente joven a la cual aun hoy se estn haciendo importantes contribuciones. La referencia que da el autor Vernard J.K acerca de los antecedentes de la mecnica de fluidos como un estudio cientfico datan segn sus investigaciones de la antigua Grecia en el ao 420 a.C. hechos por Tales de Mileto y Anaximenes; que despus continuaran los romanos y se siguiera continuando el estudio hasta el siglo XVII. 2.2. FUNDAMENTOS TECNOLGICOS DE LA MECNICA DE

FLUIDOS. 2.2.1. Ecuacin de continuidad. Considerando las secciones 1 y 2 en una tubera, tan alejadas como se quiera. Si no hay prdidas de materia entre una y otra, el principio de conservacin de masa nos lleva afirmar:

m1

m2

Luego, las reas de las secciones consideradas valen A1 y A2, las velocidades lineales del fluido son v1 y v2, y las densidades la ecuacin anterior se puede escribir: 1y 2,

A1v1

1

A2 v2

2

Las ecuaciones dadas son expresiones de la llamada ecuacin de continuidad, que se cumple en todos los casos de flujo de fluidos. 7

2.2.2. El teorema de Bernoulli. Un fluido en circulacin contiene una cierta cantidad de energa (Cintica, Potencial, Interna y la aportada por fuerzas exteriores). Considerando un sistema de flujo en el cual dicho fluido no est sujeto a tensin cortante durante el movimiento y est fluyendo bajo condiciones isotrmicas (fluido perfecto). Para flujo de fluido de este tipo, solamente son significativas las formas de energa mecnica, y para este caso el balance de energa queda expresado as:

P1V1

g Z1 gC

v12 2g C

P2V2

g Z2 gC

2 v2 2g C

Que se llama generalmente la ecuacin de Bernoulli; y su significado, es que en ausencia de energa no mecnica la suma de la energa debida a la presin, de la energa potencial y de la energa cintica, permanece constante para un fluido perfecto. 2.2.3. Fluidos newtonianos. Se dice que un lquido exhibe comportamiento newtoniano cuando existe una estricta proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la rapidez de corte (rapidez de deformacin); es decir que un lquido newtoniano es (por definicin) lineal, se tiene la conocida relacin:

d g c dyDonde: , es la viscosidad del lquido , es el esfuerzo cortante d d y , es el gradiente de velocidad.

g c , es la constante adimensional

Muchos fluidos corrientes, como el aire, agua, etc., son fluidos newtonianos.

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2.2.4. Numero de Reynolds. El estudio del mecanismo de la circulacin de fluidos nos lleva a considerar dos tipos de flujo: laminar o viscoso, cuando el flujo es paralelo a las paredes del ducto en cualquier punto que se considere; y turbulento, cuando el flujo es irregular formando remolinos y curvaturas dentro del ducto.

La existencia de uno u otro tipo es funcin de la densidad

(

),

viscosidad ( ), de su velocidad de desplazamiento ( v ) y de una dimensin caracterstica que para tubos cilndricos es el dimetro (D).

N Re

D

2.2.5. Altura geomtrica de aspiracin. Es la distancia vertical que hay entre el nivel del lquido que se aspira y el eje de la bomba (Bombas de eje vertical), o el plano medio de los bordes de entrada de las paletas de la primera rueda (bomba de eje vertical). 2.2.6. Altura geomtrica de impulsin. Es la distancia vertical que separa el nivel del lquido en el depsito receptor de la impulsin, del eje o del plano antes definido. 2.2.7. Perdidas de Carga. Primarias: son las prdidas debido al contacto del fluido con la tubera.

Secundarias: son las prdidas de la forma, que tienen lugar en las transiciones, codos, vlvulas y accesorios. Se puede catalogar en forma de Longitud equivalente, es decir, la longitud en metros de un trozo de tubera del mismo dimetro y que producir la misma prdida.

La bomba deber compensar estas disipaciones de energa en las conducciones tanto de aspiracin como de impulsin y suelen evaluarse en alturas de columna de agua y expresarse en metros.

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2.2.8. Altura manomtrica prctica de elevacin total. Es la suma de los tres valores antes definidos. Esta suma se denomina prctica, pues la altura terica comprendera adems el trmino.

v2 . 2g

2.2.9. Perdidas de Carga.

Al circular lquido por una tubera existe una prdida de carga que equivale:

hSiendo:

f

L 2 gD

2

h = prdida de carga en la tubera, medida en metros de columna de lquido. f = coeficiente de friccin, sin dimensiones. v = velocidad de circulacin del lquido g = aceleracin de la gravedad D = dimetro interior de la tubera L = longitud de la tubera 2.2.10. Rugosidad interna de las paredes de los tubos Las superficies internas de los tubos presentan irregularidades de diferentes alturas. Se adopta para las mismas un valor promedio que se llama rugosidad (K), el cual se mide generalmente en m o en mm. La rugosidad relativa se define como el cociente entre la rugosidad absoluta (k) y el dimetro de la tubera (D). Los tubos mecnicamente son lisos o rugosos segn la importancia de aquellas irregularidades.

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2.2.11. Bombas.

Existen de diferentes tipos: Centrfuga (muy difundida),volumtricas (engranajes, peristlticas, etc.); cuya funcin depende del lquido a emplear o bombear y sobre todo de las condiciones del proceso fabril. Entre las caractersticas ms importantes a considerar para elegir una bomba se tiene: - Capacidad (Caudal) - Altura a vencer - Propiedades del fluido

Bomba Centrfuga Es una mquina que absorbe energa mecnica externa (motor elctrico, trmico) y la transforma en energa que la transfiere a un fluido en forma de presin, donde las partculas adquieren velocidad tangencial creciente.

Potencia. La potencia es igual al trabajo efectuado en la unidad de tiempo para elevar el caudal correspondiente a una altura igual a la altura manomtrica prctica de elevacin total. La potencia viene dada por la frmula:

P

Q ( H h) 1000 e

Donde:

P, viene expresado en KW; Q, el caudal, en m3/s; H, la altura geomtrica entre el plano de aspiracin y el de impulsin, en m; h, la prdida de carga, en m; e, el rendimiento de la bomba; , el peso especfico de metro cbico de lquido impelido o sea

g (densidad * aceleracin de la gravedad).

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2.2.12. Perdidas de Carga. El fluido se transfiere de una parte del proceso a otra a travs de tuberas de seccin transversal circular. Los tubos y tuberas pueden construirse con cualquier material dependiendo de las propiedades corrosivas del fluido que se maneja. La ASA (American Standards Association) establece que el tamao de los tubos y de las conexiones se caracterice en funcin del dimetro nominal (es una aproximacin del dimetro interior) y del espesor de la pared del tubo (N de cdula). 2.2.13. Perdidas de Carga. Estos dispositivos introducen un rozamiento adicional al sistema. La vlvula es tambin una conexin pero tiene un cometido mucho ms importante. Se usan ya sea para controlar el gasto o bien para cerrarlo completamente. Las conexiones pueden: Juntar dos piezas de tubera, cambiar la direccin de la tubera, cambiar el dimetro de la tubera, juntar dos corrientes para formar una tercera, y cerrar una tubera. 2.3. FACTORES PARA LA ELECCION DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO. a) Rango: Los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigacin de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalacin de medicin en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo as como el rango de las variaciones esperadas.

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b) Exactitud requerida: Cualquier dispositivo de medicin de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayora de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de ms del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud. c) Prdida de presin: Debido a que los detalles de construccin de los distintos medidores son muy diferentes, stos proporcionan diversas cantidades de prdida de energa o prdida de presin conforme el fluido corre a travs de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medicin estableciendo una restriccin o un dispositivo mecnico en la corriente de flujo, causando as la prdida de energa. d) Tipo de fluido: El funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideracin bsica es si el fluido es un lquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosin, la conductividad elctrica, la claridad ptica, las propiedades de lubricacin y homogeneidad. e) Calibracin: Se requiere de calibracin en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibracin en forma de una grfica o esquema del flujo real versus indicacin de la lectura. Algunos estn equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo ms bsico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado 13

formas geomtricas y dimensiones estndar para las que se encuentran datos empricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fcil de medicin, tal como una diferencia de presin o un nivel de fluido. 2.4. MEDIDORES DE CABEZA VARIABLE El principio bsico de estos medidores es que cuando una corriente de fluido se restringe, su presin disminuye por una cantidad que depende de la velocidad de flujo a travs de la restriccin, por lo tanto la diferencia de presin entre los puntos antes y despus de la restriccin puede utilizarse para indicar la velocidad del flujo. Los tipos ms comunes de medidores de cabeza variable son el tubo venturi, la placa orificio y el tubo de flujo. 2.4.1. Tubo De Venturi El principio del tubo Venturi se debe al fsico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822), si bien su aplicacin prctica como instrumento de medida del caudal no lleg hasta mucho tiempo despus, con el norteamericano Clemens Herschel (1842- 1930). Un tubo Venturi, como el mostrado en la Figura 1, consiste en un tubo corto con un estrechamiento de su seccin transversal, el cual produce un aumento de la velocidad del fluido y por consiguiente, puesto que la conservacin de la carga expresada por el teorema de Bernoulli debe satisfacerse, una disminucin de la altura piezomtrica. El estrechamiento va seguido por una regin gradualmente divergente donde la energa cintica es transformada de nuevo en presin con una inevitable pequea prdida por friccin viscosa. La cada de presin puede relacionarse con el caudal de fluido que circula por el conducto, a partir de la ecuacin de continuidad (caudal constante en cualquier seccin de la conduccin) y de la ecuacin de Bernoulli (conservacin de la energa mecnica).

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Figura 1: Un tubo Venturi inclinado Aplicando el teorema de Bernoulli entre los puntos 1, en la entrada, y 2, en la garganta del tubo Venturi de la Figura 1, se obtiene:

Si el Venturi se encuentra situado en posicin totalmente horizontal, las alturas de posicin de los puntos 1 y 2 son iguales, es decir 1 2 z =z , y estos trminos se cancelan en la ecuacin (1), pero si el tubo Venturi est inclinado, como se muestra en la Figura 1, las alturas de posicin son diferentes, 1 2 z z. Por otra parte, v1 y v2 pueden considerarse como las velocidades medias en la seccin correspondiente del tubo Venturi, y como el flujo se desarrolla en rgimen permanente y el fluido es incompresible, la ecuacin de continuidad establece que:

Sustituyendo la expresin (2) en la ecuacin (1), se obtiene: 15

y, por tanto, el caudal se calcula como:

(4)

En consecuencia con un tubo Venturi el problema de medir un caudal se reduce a la medida de las presiones P1 y P2, pues el resto de variables presentes en la ecuacin (4) son dimensiones geomtricas fijas para cada caso. En concreto es suficiente la medida de la presin diferencial P1-P2, por ejemplo mediante un manmetro piezomtrico en U, como el mostrado en la Figura 1, con un lquido no miscible con el fluido que circule por la conduccin. Si ste es un gas, en el manmetro se puede usar agua; si circula agua, en el manmetro se puede usar mercurio. Estrictamente, el resultado de la ecuacin (4) es vlido, como la ecuacin de Bernoulli, para flujos ideales en los que los efectos de la friccin son despreciables. En los tubos Venturi reales, la friccin, aunque pequea, est presente, de modo que la cada de presin P 1-P2 medida en el manmetro diferencial es debida al aumento de energa cintica en la garganta, pero tambin a una pequea prdida de carga. Por tanto los caudales obtenidos con la ecuacin (4) tienden a ser ligeramente mayores que los caudales reales, y por ello se introduce un factor de correccin, denominado coeficiente de descarga o de derrame, Cd (ecuacin 5). En cada caso habr de calibrarse el Venturi para obtener el valor adecuado de este coeficiente. Para un tubo Venturi convencional Cd suele adoptar valores en el rango 0.90-0.96.

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Los tubos Venturi resultan ser medios simples y precisos para medir caudales en conductos. Frente a los otros medidores de la categora de estrechamiento en conductos (orificios y toberas), los Venturi presentan la ventaja adicional de inducir una prdida de carga comparativamente ms pequea, gracias a que las transiciones en el rea de la seccin de paso se hacen gradualmente. Ello es especialmente destacable en lo que se refiere al tramo difusor o divergente, situado en la zona posterior a la garganta del Venturi. Se trata de un tramo troncocnico con un ngulo de apertura muy suave (~7), con lo que se busca la expansin progresiva de la corriente de fluido con las consiguientes disminucin de energa cintica y aumento de presin hasta prcticamente recuperar los valores anteriores al Venturi (los del punto 1 en la Figura 1). Si en cambio esa transicin fuera ms brusca (con un ngulo de apertura elevado), en la zona posterior de la garganta quedara en realidad un chorro libre, con lo que el exceso de energa cintica se disipara por turbulencia y apenas si aumentara la presin por encima del valor del punto 2 (Figura 1). Esto ltimo es lo que de hecho sucede con los medidores de tobera y de orificio (ver siguiente apartado). Una relacin de reas A2/A1 pequea, contribuye a aumentar la precisin en el manmetro, pero tambin va acompaada de una mayor prdida por friccin (menor Cd) y adems puede dar lugar a una presin demasiado baja en la garganta. Si circula un lquido es posible que llegue a producirse liberacin del aire disuelto en el lquido e incluso vaporizacin del lquido en este punto. Este fenmeno se conoce como cavitacin y se produce si la presin alcanza el valor de la presin de vapor del fluido a la temperatura de trabajo. Si se generan burbujas, bien de aire liberado o bien de vapor, el flujo a travs del Venturi se modifica y las medidas de caudal pierden validez. 17

2.4.2 Medidores de orificio Son dispositivos que consisten en una reduccin en la seccin de flujo de una tubera, de modo que se produzca una cada de presin, a consecuencia del aumento de velocidad.

Figura 2: MEDIDOR DE PLACA DE ORIFICIO Haciendo un balance de energa entre el orificio (punto 1) y la seccin posterior al orificio (punto 2), despreciando las prdidas por friccin tenemos:

Para un fluido incomprensible y de la ecuacin de continuidad:

Sustituyendo 2 en 1:

Despejando v1 y sabiendo que D1 = Dorificio 18

En caso de que se consideren las prdidas de friccin, es necesario agregar el coeficiente de orificio Co, teniendo lo siguiente:

Siendo v1: velocidad en el orificio. Si se requiere conocer el Caudal:

Co: Coeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. Este coeficiente vara entre 0.6 y 0.62 para orificios concntricos de bordes afilados y si el Nmero de Reynolds es mayor de 20 000 y si la toma posterior est en la vena contracta. D0: Dimetro de orificio. D2: Dimetro de la tubera. Usualmente el dimetro del orificio est entre 50 y 76% del dimetro de la tubera. La toma corriente arriba debe quedar a una distancia correspondiente a un dimetro de la tubera de la cara del orificio y la de corriente abajo a una distancia de 0.5 del mismo dimetro, D2. En los medidores instalados la manera ms simple de obtener la cada de presin consiste en el empleo de un manmetro diferencial en U. 19

La prdida de carga o prdidas permanentes por friccin se obtienen por:

Para gases la ecuacin debe modificarse mediante un factor emprico que, para el caso de comportamiento ideal es:

Siendo K la relacin de las capacidades calorficas a presin y volumen constantes.

Por lo tanto:

Las ecuaciones anteriores se aplican cuando las tomas de presin estn situadas en las bridas, 1 dimetro de la tubera antes de la placa y 0.5 dimetro despus, si la toma posterior est situada despus de la vena contracta se utiliza un factor K que es funcin de la relacin b para Reynolds mayores de 20 000.

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Donde:

2.4.3. Boquilla o tobera de flujo Es una contraccin gradual de la corriente de flujo seguida de una seccin cilndrica recta y corta. Debido a la contraccin pareja y gradual, existe una prdida muy pequea. A grandes valores de Reynolds (106) C es superior a 0.99. 21

La tobera de flujo, es un instrumento de medicin que permite medir diferencial de presiones cuando la relacin de , es demasiado alta para la placa orificio, esto es, cuando la velocidad del flujo es mucho mayor y las prdidas empiezan a hacerse notorias. Luego, al instalar un medidor de este tipo se logran mediciones mucho ms exactas. Adems este tipo de medidor es til para fluidos con muchas partculas en suspensin o sedimentos, su forma hidrodinmica evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos a la tobera.

Figura 3: BOQUILLA O TOBERA DE FLUJO.

La instalacin de este medidor requiere que la tubera donde se vaya a medir caudal, este en lnea recta sin importar la orientacin que esta tenga. Recuperacin de la presin: La cada de presin es proporcional a la prdida de energa. La cuidadosa alineacin del tubo Venturi y a expansin gradual larga despus de la garganta provoca un muy pequeo exceso de turbulencia en la corriente de flujo. Por lo tanto, la prdida de energa es baja y la recuperacin de presin es alta. La falta de una expansin gradual provoca que la boquilla tenga una 22

recuperacin de presin ms baja, mientras que la correspondiente al orificio es an ms baja. La mejor recuperacin de presin se obtiene en el tubo de flujo.

2.5. MEDIDORES DE AREA VARIABLE 2.5.1. Rotmetro El rotmetro es un medidor de rea variable que consta de un tubo transparente que se amplia y un medidor de "flotador" (ms pesado que el lquido) el cual se desplaza hacia arriba por el flujo ascendente de un fluido en la tubera. El tubo se encuentra graduado para leer directamente el caudal. La ranura en el flotador hace que rote y, por consiguiente, que mantenga su posicin central en el tubo. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que asume el flotador. 2.5.2. Fluxmetro de turbina El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende de la velocidad de flujo. Conforme cada una de las aspas de rotor pasa a travs de una bobina magntica, se genera un pulso de voltaje que puede alimentarse de un medidor de frecuencia, un contador electrnico u otro dispositivo similar cuyas lecturas puedan convertirse en velocidad de flujo. Velocidades de flujo desde 0.02 L/min hasta algunos miles de L/min se pueden medir con fluxmetros de turbina de varios tamaos. 2.5.3. Fluxmetro de vrtice Una obstruccin chata colocada en la corriente del flujo provoca la creacin de vrtices y se derrama del cuerpo a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el fluxmetro detecta los vrtices y genera una indicacin en la lectura del dispositivo medidor. 23

Esta figura muestra un bosquejo del fenmeno de derramamiento de vrtice. La forma del cuerpo chato, tambin llamada elemento de derramamiento de vrtice, puede variar de fabricante a fabricante. Conforme el flujo se aproxima a la cara frontal del elemento de derramamiento, este se divide en dos corrientes. El fluido cerca del cuerpo tiene una velocidad baja en relacin con la correspondiente en las lneas de corrientes principales. La diferencia en velocidad provoca que se generen capas de corte las cuales eventualmente se rompen en vrtices en forma alternada sobre los dos lados del elemento de derramamiento. La frecuencia de los vrtices creados es directamente proporcional a la velocidad del flujo y, por lo tanto, a la frecuencia del flujo del volumen. Unos sensores colocados dentro del medidor detectan las variaciones de presin alrededor de los vrtices y generan una seal de voltaje que varia a la misma frecuencia que la de derramamiento del vrtice. La seal de salida es tanto un cadena de pulsos de voltaje como una seal analgica de cd (corriente directa). Los sistemas de instrumentacin estndar con frecuencia utilizan una seal analgica que vara desde 4 hasta 20 mA cd (mili amperes de cd). Para la salida de pulso el fabricante proporciona un fluxmetro de factor-K que indica los pulsos por unidad de volumen a travs del medidor. Los medidores de vrtice pueden utilizarse en una amplia variedad de fluidos incluyendo lquidos sucios y limpios, as como gases y vapor.

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2.5.4. FLUXOMETROS DE VELOCIDAD Algunos dispositivos disponibles comercialmente miden la velocidad de un fluido en un lugar especfico ms que una velocidad promedio. 2.5.1 TUBO PITOT Cuando un fluido en movimiento es obligado a pararse debido a que se encuentra un objeto estacionario, se genera una presin mayor que la presin de la corriente del fluido. La magnitud de esta presin incrementada se relaciona con la velocidad del fluido en movimiento. El tubo pitot es un tubo hueco puesto de tal forma que los extremos abiertos apuntan directamente a la corriente del fluido. La presin en la punta provoca que se soporte una columna del fluido. El fluido en o dentro de la punta es estacionario o estancado llamado punto de estancamiento. Utilizando la ecuacin de la energa para relacionar la presin en el punto de estancamiento con la velocidad de fluido: si el punto 1 est en la corriente quieta delante del tubo y el punto s est en el punto de estancamiento, entonces, p1 = presin esttica en la corriente de fluido principal p1/g = cabeza de presin esttica p1 = presin de estancamiento o presin total ps/ g = cabeza de presin total v1/ 2g = cabeza de presin de velocidad Solo se requiere la diferencia entre la presin esttica y la presin de estancamiento para calcular la velocidad, que en forma simultnea se mide con el tubo pitot esttico.

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2.5.5. FLUXOMETRO ELECTROMAGNTICO

Su principio de medida est basado en la Ley de Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a travs de un campo magntico, se produce una fuerza electromagntica (F.E.M.), directamente proporcional a la velocidad del mismo, de donde se puede deducir tambin el caudal. Est formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metlicos, entre los cuales se genera la seal elctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magntico, y todo se recubre de una proteccin externa, con diversos grados de seguridad. El flujo completamente sin obstrucciones es una de las ventajas de este medidor. El fluido debe ser ligeramente conductor debido a que el medidor opera bajo el principio de que cuando un conductor en movimiento corta un campo magntico, se induce un voltaje. Los componentes principales incluyen un tubo con un material no conductor, dos bobinas electromagnticas y dos electrodos, alejados uno del otro, montados a 180 en la pared del tubo. Los electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que le voltaje generado es directamente proporcional a la velocidad del fluido, una mayor 26

velocidad de flujo genera un voltaje mayor. Su salida es completamente independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad especfica o turbulencia. Los tamaos existentes en el mercado van desde 5 mm hasta varios metros de dimetro. 2.5.6. FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO

Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor. La placa piezo-cermica de una de las sondas es excitada por un impulso de tensin, generndose un impulso ultrasnico que se propaga a travs del medio lquido a medir, esta seal es recibida en el lado opuesto de la conduccin por la segunda sonda que lo transforma en una seal elctrica. El convertidor de medida determina los tiempos de propagacin del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio lquido y calcula su velocidad de circulacin a partir de ambos tiempos. Y a partir de la velocidad se determina el caudal que adems necesita alimentacin elctrica. Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos: DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del lquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se enva una seal de frecuencia conocida a travs del lquido. Slidos, burbujas y discontinuidades en el lquido harn que el pulso enviado se refleje, pero como el lquido que causa la reflexin se est moviendo la

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frecuencia del pulso que retorna tambin cambia y ese cambio de frecuencia ser proporcional a la velocidad del lquido. TRNSITO: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuracin es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinacin de 45 grados respecto a la direccin de flujo del lquido. La velocidad de la seal que viaja entre los transductores aumenta o disminuye con la direccin de transmisin y con la velocidad del lquido que est siendo medido Tendremos dos seales que viajan por el mismo elemento, una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las seales no llegan al mismo tiempo a los dos receptores. Se puede hallar una relacin diferencial del flujo con el tiempo transmitiendo la seal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza determinando el tiempo que tardan las seales en viajar por el flujo. Caractersticas Temperatura ambiente 0 55 Temperatura de almacenamiento -20 150 Humedad