UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ENERGIA

Experiencia de laboratorio: Medicin de presiones

Curso: Laboratorio de ingeniera mecnica I MN412C

Supervisado por: Ing. Arvalo

Unidad ejecutora: Barrientos Campos, Renzo J 20050158A

Legua Cceres, Alexis 20101222C

Fecha de realizacin: 07 / 04 / 2014

2014

Resumen tcnicoEl presente informe

ndice

1. Introduccin........................ pg. 42. Objetivos pg. 53. Fundamento terico. pg. 64. Experiencias4.1. Calibracin del manmetro Bourdon con el calibrador de peso muerto.4.1.1. Equipos e instrumentos.... pg. 124.1.2. Procedimiento. pg. 124.1.3. Clculos y resultados. pg. 144.2. Medicin de la Presin de Velocidad en un ventilador 4.2.1. Equipos e instrumentos. pg. 164.2.2. Procedimiento. pg. 164.2.3. Clculos y resultados.. pg. 18 4.3. Medicin de la presin en el ventilador mediante el uso del manmetro inclinado 4.3.1. Equipos e instrumentos. pg. 20 4.3.2. Procedimiento. pg. 20 4.3.3. Clculos y resultados. pg. 225. Conclusiones. pg. 236. Recomendaciones pg. 247. Anexos pg. 258. Referencia bibliogrfica pg. 26

1. Introduccin

En los diversos campos de aplicacin de la ingeniera, algunas veces se requiere de un fluido para su estudio, por lo que debemos de conocer sus propiedades, sean temperatura, presin, etc. Para ello se desarrollan instrumentos que nos puedan indicar su valor. En el caso de la presin uno de los ms utilizados es el manmetro de Bourbon.

En cualquier centro de labor que trabajan con fluidos siempre se dispone de un manmetro de Bourdon u otros como los de columna lquida, por lo que debemos estar familiarizados con este tipo de instrumentos, as como con sus defectos. Como por ejemplo la descalibracin.

En el presente informe se detalla el funcionamiento de un calibrador de peso muerto as como la medicin de presiones de fluidos en movimiento, con esto se trata de comprender los diversos tipos de medicin de presin.

2. Objetivos

Calibrar un manmetro Bourdon utilizando un calibrador de peso muerto.

Obtener la curva de calibracin del manmetro Bourdon.

Medir la presin de un flujo (aire) a lo largo de un ducto.

Obtener la grfica de la distribucin de velocidades

Aprender a utilizar el tubo de Pitot y manmetros de columna liquida

usar el manmetro ms indicado para el caso que se requiera.

3. Fundamento terico

PRINCIPALES METODOS DE MEDICION DE PRESIN

MANMETROS DE COLUMNA LQUIDA Los manmetros de columna liquida se utilizan de manera general para medir presin es o diferencias de presin inferiores a 1 0 Kg/cm, especialmente cuando la medicin debe realizarse con una precisin del orden del 1%. En estos dispositivos, la presin se determina equilibrando la presin con una columna liquida de peso especfico conocido. Se mide la altura de la columna y se obtiene la presin por cmputo. Un manmetro de columna liquida muy comn es el de tubo en "U" (figura 2.2). En esta figura, son iguales las presin es en a y en c. La presin a es prcticamente igual a la presin que se mide si la parte del tubo por encima de a esta llena de aire o algn otro gas. (La presin ejercida por una columna de aire de un metro de altura es de aproximadamente 0.001 Kg/cm, en las condiciones corrientes, y, por lo tanto, despreciable.) La presin que se mide resulta as equilibrada por la columna liquida de altura h y la presin atmosfrica existente en el punto b. La fuerza ejercida por una columna liquida sobre cualquiera de sus secciones trasversales es igual al producto de la altura de la columna por encima de la seccin considerada multiplicada por el rea de la seccin trasversal y por el peso especfico del lquido. Pero la presin es fuerza por unidad de rea. Luego, la presin en el punto c ejercida por la columna liquida de altura h es igual al producto del peso especfico del lquido por la altura de la columna. (La presin es, por lo tanto, independiente del rea de la seccin trasversal.) El producto del peso especfico del lquido por la altura h es igual a la presin manomtrica que se determina (esto es, la presin en exceso sobre la presin atmosfrica). Si la presin que se mide es menor que la atmosfrica, el lquido subir por la rama de la derecha del tubo. Luego, el producto del peso especfico del lquido por la altura de la columna es igual a la presin atmosfrica menos la presin medida. Hablase, entonces, de succi6n o vaco. EI manmetro de tubo en "U" puede usarse, tambin para medir diferencias de presin, conectando las dos ramas del tubo a las lneas de presin del caso. El producto del peso especfico del lquido por la altura de la columna es igual a la diferencia de presin que se mide.

La figura 2.3 ilustra un tipo comercial de manmetro de tubo en "U". Hay muchas variantes, resultado de los intentos para construir un instrumento de fcil lectura, fcil de limpiar y fcil de reparar. EI manmetro de tubo en "U" presenta una importante desventaja. Si hay fluctuaciones importantes en la presin medida, resulta difcil obtener la presin verdadera, puesto que hay que leer dos alturas simultaneas. Un intento para eliminar esta dificultad consiste en el empleo de una escala mvil. El extremo inferior de la escala se alinea con la elevacin media de la ms baja de las dos columnas liquidas y se lee, entonces, la escala de acuerdo con la elevacin media de la otra columna. Aunque este mtodo reporta alguna mejora, la variacin de la presin media entre el momento en que se ajusta la posicin de la escala y el momento en que se hace la lectura, puede ser considerable, de modo que la lectura es errnea. (Adems, no siempre se dispone de espacio suficiente para el necesario movimiento de la escala.

MEDICION DE PRESIN ES PEQUEAS Cuando la presin medida es muy pequea, por ejemplo, menos de 100 mm de la columna liquida, no es posible utilizar ni el manmetro en "U" ni el manmetro de una sola rama para obtener una medicin de precisin. Hay tres tipos de instrumentos de uso comn para la medicin de pequeas presin es:1. El manmetro de columna liquida inclinado.2. El manmetro de dos fluidos.3. El micromanmetro. En esta figura, la presin en a esta equilibrada por la columna liquida h y la presin atmosfrica. Pero, en lugar de medir la distancia h (difcil de medir con precisin), se mide la distancia h', mucho ms grande. EI conocimiento del ngulo de inclinacin del tubo permite calcular h. En .muchos casos, la escala del manmetro inclinado toma ya en cuenta el ngulo y la presin se mide directamente en mm. Debe observarse que el rea trasversal del tubo tiene que ser muy pequea en comparacin con la del depsito

La figura 2.7 ilustra un simple manmetro inclinado de tubo en "U". La figura 2.8 ilustra el principio del manmetro inclinado de una sola rama El principio fundamental del manmetro inclinado de una .sola rama aplicase tambin al manmetro inclinado de tubo en "U". Dado que el manmetro de tubo en "U" puede usarse con diferentes grados de inclinacin, es necesario medir el ngulo y calcular la presin verdadera. La figura 2.9 ilustra un manmetro inclinado comercial de una rama. Dado que estos instrumentos se utilizan a menudo para medir el "tiro", se los denomina generalmente manmetros de tiro (1). Con el objeto de disminuir las variaciones de altura del lquido en el depsito, el dimetro del tubo inclinado se hace por lo general bastante pequeo. Dada la imposibilidad de construir tubos de dimetro perfecta mente uniforme, los ASME Power Test Codes recomiendan que los manmetros de tiro se calibren individualmente La figura 2.10 ilustra un manmetro de columna de dos fluidos. Si la seccin trasversal del tubo es despreciable en comparacin con las de las botellas A y B, los niveles lquidos no varan apreciablemente en estas al variar la presin. En este caso, la lectura obtenida es la que se obtendra en un manmetro de un solo fluido que usara un lquido de peso especfico igual a la diferencia entre los pesos especficos de los dos lquidos utilizados en el manmetro de dos fluidos. Si el rea trasversal de los tubos no es despreciable, puede utilizarse la relacin que sigue para obtener la presin verdadera:

Donde: Presin diferencial, mm de agua Diferencia observada entre las alturas liquidasPeso especfico del lquido ms liviano Peso especfico del lquido ms pesado Relacin de la seccin .del tubo a la seccin de las botellas.

Los lquidos elegidos no deben mezclarse entre ellos. Se ha usado agua para el lquido inferior y aceite o querosene coloreado para el lquido superior. A causa de la dificultad para obtener tubos de dimetro uniforme, los manmetros de dos lquidos deben ser individualmente calibrados para las mediciones de precisin.

La figura 2.11 ilustra un tipo de micro manmetro, el de contactos elctricos. El ajuste a cero y la lectura de presin se obtienen, ambos, por el contacto hecho con el lquido. Para la medicin se utiliza un calibre de dial tipo Ames, graduado en fracciones de mm Las dos ramas del manmetro deben ser de dimetros iguales.

En la figura 2.12 se muestra una forma del micro manmetro de puntas. Las lecturas se hacen cuando las puntas rompen la superficie liquida. Este tipo de micro manmetro se utiliza a menudo para calibrar los otros tipos de micro manmetros.

En la figura 2.13 ilustrase un tercer tipo de micro manmetro. En este caso, el tornillo micromtrico se ajusta de manera de retornar el menisco lquido en el tubo inclinado a una marca preestablecida. Debido a la alta relacin de dimetros, no hay variacin apreciable en el nivel lquido del depsito. A menos que se sepa que la presin por medir es constante, no se justifica el uso de un micro manmetro. Hay dispositivos amortiguadores que amortiguan las fluctuaciones de presin no obstante, a menos que las fluctuaciones originales sean muy pequeas, puede no ser posible amortiguarlas lo suficiente como para que se permita el uso de un micro manmetro.

MANMETRO DE BOURDON Y DE DIAFRAGMA Los tubos metlicos curvos de seccin aproximadamente elptica tienen tendencia a enderezarse cuando se los somete a una presin interna (ver figura 2.l4). Si uno de los extremos del tubo esta fijo, el otro extremo experimenta un desplazamiento definido que depende de la magnitud de la presin aplicada. Si 'la presin interna del tubo es menor que la externa, el tubo tendr tendencia a curvarse an ms. Dado que la presin que rodea al tubo es por lo general la presin atmosfrica, el tubo de Bourdon determina la presin manomtrica. El tubo en si resiste al movimiento, y, si no excede su lmite elstico, retorna a la forma original al desaparecer la presin. Este tubo constituye la base de los llamados manmetros de Bourdon, ilustrados en la figura 2.15. Por medio de un sistema de bielas ajustables, el movimiento del extremo libre del tubo se trasmite a un conjunto de cremallera y pistn que hace girar una aguja sobre una esfera indicadora.

Los manmetros de Bourdon se utilizan mucho para los alcances de presin que no pueden ser medidos convenientemente por medio de columnas liquidas, digamos desde 0,5 Kg/cm2 hasta centenares de Kg/cm2 cuando no se requiere una precisin muy grande, los manmetros de Bourdon se sustituyen a los manmetros de columna en razn de su mayor conveniencia. Los manmetros de Bourdon se clasifican a menudo como manmetros (propiamente dichos, para presiones mayores que la atmosfrica), vacuo metros (para presiones menores que la atmosfrica) y manmetros compuestos (para vaco y pequeas presiones). Los manmetros de presin se calibran ordinariamente en Kg/cm2 aunque para aplicaciones especiales pueden llevar otras graduaciones, por ejemplo, mm de Hg. o metros de agua. Los vacumetros se gradan por lo comn en mm de Hg. La parte de vaco de los manmetros compuestos se grada en mm de Hg, la parte de presin, en Kg/ cm2 La precisin de los manmetros de Bourdon -depende, naturalmente, del cuidado que se aplique para su diseo y fabricacin. Aunque algunos de estos manmetros tienen una precisin del 1% de la lectura de plena escala, la mayora no ofrecen una precisin mejor que 1% del alcance de plena escala. Los ASME Power Test Codes especifican que el manmetro de Bourdon debe elegirse de modo que la presin media por medir est comprendida entre un tercio y dos tercios de la escala. Se establece tambin que "es muy conveniente que todas las lecturas estn comprendidas entre un cuarto y tres cuartos de la lectura de plena escala". Debe observarse, tambin, que la mayora de los manmetros tienen clavijas, en la esfera, que impiden que la aguja adopte una posicin libre a la presin atmosfrica. Por lo tanto, la lectura cero de estos manmetros suele estar algo por encima de la presin atmosfrica. Debido a la alteracin de las propiedades elsticas del tubo con el tiempo, y a la imposibilidad de obtener una perfecta uniformidad de los tubos en el proceso de produccin, es necesario prever la posibilidad de ajustar el sistema de bielas. Por la misma razn, y por el desgaste, los manmetros de Bourdon deben ser re calibrados frecuentemente. En algunos instrumentos, se usan dos tubos de Bourdon, de tal modo que la aguja registra el movimiento diferencial de ambos. Un fabricante ha sustituido una leva de ranura en espiral y un seguidor al mecanismo de cremallera y pin, con la intencin de reducir al mnimo el juego entre el extremo del tubo y la aguja. El manmetro de diafragma se utiliza en cierta medida para la .medicin de presiones relativamente bajas. En esencia, el manmetro de diafragma consiste en una cmara cerrada superiormente por medio de un diafragma. Al aplicar una presin a la cmara, el centro del diafragma se desplaza en una magnitud proporcional a la magnitud de la presin aplicada. El movimiento del diafragma se trasmite a la aguja del instrumento por medio de un mecanismo adecuado. Similar en principio al manmetro de diafragma, es el manmetro de fuelle. Esta constituido este por dos ms diafragmas o por un cilindro de paredes corrugadas. Los manmetros de diafragma o de fuelle se utilizan a menudo para determinar la presin atmosfrica en este caso, se los denomina barmetros aneroides.

4. Experiencias

4.1. Calibracin del manmetro Bourdon con el calibrador de peso muerto.

4.1.1. Equipos e instrumentos 1 Calibrador de peso muerto 1 llave mixta de 1 Manmetro tipo Bourdon

4.1.2. Procedimiento En la experiencia se desarroll la calibracin de un manmetro de Bourdon, mediante un instrumento en el que se agregan pesos equivalentes a ciertas presiones que ya estn determinadas (ver figura 1).

Para esto es necesario tener en claro:

a. Verificar que el plano de trabajo este nivelado, esto se logra haciendo que la burbuja del indicador se coloque entre las marcas.b. Se colocan pesas en un cilindro hidrulico y con un juego de vlvula (vlvula principal) se regula de tal forma que la marca del cilindro quede en la marca de referencia, de esa forma la presin marcada por las pesas, se muestra en el manmetro (ver detalle en la figura 2).

c. Las vlvulas reguladoras se encargan de regular la vlvula principal. Si la vlvula principal se abre mucho (llega a su tope), entonces una de ella se encarga de cortar el paso del aceite del cilindro hidrulico (del que viene de la vlvula principal) y la otra se encarga de dar el paso al aceite que viene del manmetro a la vlvula principal, con esto, la vlvula se puede cerrar, luego se le cambia el orden de apertura de las vlvulas reguladoras y el proceso para la toma de muestra contina.d. Para tomar lectura de la presin se debe esperar a que el mbolo se encuentre a la altura del tope colocado cercano a l (figura3).

Fig3. Lectura del manmetro de Bourdon

e. Se colocan las pesas de presin equivalente de manera sucesiva para tomar los datos de presin ascendente (figura4).

Fig4. Pesas sobre el mbolo

f. Despus de colocar varias pesas se procede a sacarlas de manera descendente, y se toma los datos de presin descendente.

4.1.3. Clculos y resultados

LECTURA PATRONpsiMANOMETRO DE BOURDON (psi)

ASCENDENTEDESCENDENTE

304245

708282

100112112

130142141

160173171

190195201

220230230

250260260

280295289

310320319

340346351

370370379

400414407

430440432

460470470

490498497

500509505

Con las lecturas ascendentes y descendentes, calculamos el valor promedio, la correccin y el error porcentual.Esta operacin realizaremos para una sola medida (100psi), siguiendo lo mismo para los dems datos. P promedio

P promedio = (40+40)/2P promedio = 40 psi Error

Error porcentual

* 100%De esta forma se calculan los dems valores para cada lectura medida en el patrn, as entonces, tenemos:LECTURA PATRON (PESAS) psiMANOMETRO DE BOURDON (psi)LECTURA PROMEDIO(psi)ERROR

ERROR PORCENTUAL(%)

ASCENDENTEDESCENDENTE

30424543.513.545.00

708282821217.14

1001121121121212.00

130142141141.511.58.85

160173171172127.50

19019520119884.21

220230230230104.55

250260260260104.00

280295289292124.29

310320319319.59.53.06

340346351348.58.52.50

370370379374.54.51.22

400414407410.510.52.63

43044043243661.40

460470470470102.17

490498497497.57.51.53

50050950550771.40

4.2. Medicin de la Presin de Velocidad en un ventilador

4.2.1. Equipos e instrumentos Ventilador de seccin transversal constante. Regla graduada Manmetro Diferencial

4.2.2. Procedimientoa. Primero nos fijamos su tubo de Pitot est bien instalado las tuberas y que este al nivel de la regla graduada (que este horizontal).

Fig.5 regla graduada

b. Luego posicionamos la regla graduada del manmetro en "O" (longitud diametral hacemos coincidir el menisco de agua con la marca. c. Procedemos a encender el ventilador y regulamos con el tacmetro la rpm que necesitamos.

Fig.6 ventilador

d. Luego tomamos las medias que nos da el manmetro diferencial

Fig.7 manmetro diferencial

e. Estas medidas corresponden a la diferencia entre la presin total y la presin esttica, hechas en diferente putos a lo largo del dimetro del ducto.f. As, con criterio vamos avanzando a lo largo de todo el dimetro y tomando las presiones en los puntos que consideramos importantes

Esquema de circuito de ensayo

4.2.3. Clculos y resultadosEjemplo de clculo:Sea Pv=0.068 pul de aguaConvertimos a pascales mediante la equivalencia 1 pul H2O = 248.84 PaHechas las conversiones de pul de H2O a Pa se tiene:

Por ejemplo: para la primera medicin en el tubo de Pitot.

Entonces V= 5,267m/s y as sucesivamente para todos los datos, una vez hallados las velocidades se pueden hacer las grficas correspondientes a cada RPMDe los datos obtenidos (Pv y D) a 1733 RPM calculamos la velocidad del aire

Para 1733 RPMDimetroPvPvVelocidad

D(cm)(Pulg de H2O)(Pa)(m/s)

100,06816,9215,267

130,097524,2626,307

150,105526,2536,560

200,10425,8796,513

24,50,124,8846,387

290,11528,6176,849

340,12029,8616,997

360,11027,3726,699

390,07217,9165,420

4.3. Medicin de la presin en el ventilador mediante el uso del manmetro inclinado 4.3.1. Equipos e instrumentos Manmetro inclinado Ventilador de seccin transversal constante

4.3.2. Procedimientoi. a. Como paso inicial nivelamos el manmetro empleando el nivel de burbuja que posee.

Fig.9 manmetro inclinado

b. Procedemos a graduar en cero el nivel de la columna de fluido manomtrico.c. Tomamos las lecturas en el ducto de succin del ventilador empleando la vlvula para presiones negativas.

Fig.9 lectura del manmetro

d. Tomamos las lecturas en el ducto de descarga del ventilador empleando la vlvula para presiones positivas.

Fig.10 zona de descarga del ventilador

4.3.3. Clculos y resultados

Equivalencia . (*)Donde para condiciones del laboratorio a T=20C g=9.81 m/s2

=998.3 kg/m3 =1.204 kg/m3

=9793.32 N/m3 =11.81 N/m3

... (**) Puntoh(agua)h(aire)

1- -- -

21,51243,86

31,41160,94

41,2995,09

51,2995,09

61,2995,09

71,2995,09

80,19157,56

9- -- -

100,0974,63

110,182,92

120,182,92

130,1191,22

140,11897,85

150,1191,22

160,182,92

170,182,92

180,182,92

5. Conclusiones

Experiencia N 1 El manmetro Bourdon es recomendable usarlo en presiones altas por que produce menor porcentaje de error. Ningn instrumento puede indicar el valor exacto de la cantidad medida, por dos razones: Imprecisin resultante de la condicin o empleo del instrumento, Imprecisin intrnseca del instrumento en s. En consecuencia hay que asegurarse que se entrega al instrumento una verdadera muestra promedio de la cantidad que se mide.

Experiencia N 2 La inestabilidad del lquido de los instrumentos se debe a que el flujo de aire era turbulento. A mayores velocidades aumenta la turbulencia En el diagrama de velocidades, la disminucin de las velocidades prximas a las paredes del tubo se debe a presencia de friccin. La friccin entre el aire y el tubo de pitot explicaran la no simetra en las grficas, puesto que la velocidad mxima se encuentra en la posicin inicial, en la de menos contacto con el instrumento.

Experiencia N 3 La presin en el ducto de succin es negativa, esto es, menor que la presin atmosfrica. Esta consideracin debe tenerse en cuenta al usar el manmetro diferencial, pues se debe colocar la manguera de presin en el lado que nos permita tomar la lectura de la diferencia de presin.

Las mediciones en el punto 10 y 11 del ducto de descarga no son tan precisas dado que el flujo an no se ha estabilizado en el caso de los dos ltimos porque estn muy cerca de la zona de descarga y en el caso de las primeras, esto se debe a que esta parte del ducto se encuentra muy cerca del compresor.

6. Recomendaciones

La determinacin de precisin de una presin no es posible si no se tienen las siguientes precauciones:

1. La posicin del elemento sensible a la presin debe elegirse de modo que en uno se halle presente la presin deseada.2. No debe haber fugas en el tubo que lleva la presin por medir al instrumento.3. Debe considerarse el efecto del fluido en el tubo de trasferencia de la presin sobre la presin observada.4. El instrumento medidor de presin debe elegirse de modo que la presin son indicada con la precisin deseada.5. El instrumento medidor de presin debe ser protegido contra todo efecto perjudicial causado por las variaciones de presin y temperatura.

Puede haber variaciones apreciables de presin en un lquido en movimiento, particularmente en la presin total. Por lo dems, en un fluido que se supone en reposo, pueden darse corrientes de remolino que pueden hacer que la presin medida resulte mayor que la presin esttica verdadera. El viento natural, o las corrientes causadas por ventiladores, pueden hacer que la presin baromtrica leda sea mayor que la verdadera. Por consiguiente, hay que elegir con mucho cuidado el lugar en que se hace la medicin. Un tubo de pequeo dimetro puede conducir la presin por medir de un lugar a otro tambin como un tubo de gran dimetro, siempre que no haya flujo. Por razones de costo y conveniencia, se prefieren siempre los tubos de pequeo dimetro. Pero con tubos de pequeo dimetro, sobre todo si son largos, cualquier pequea fuga puede producir una cada de presin apreciable y conducir, por lo tanto, a errores de medicin. Esto es particularmente cierto si la prdida ocurre cerca del instrumento.

7. Anexos

Anexamos la hoja de datos obtenida en el laboratorio.

8. Referencia bibliogrfica

Avallone, Eugene A. "Manual de Ingeniero Mecnico". Tomo 1 y 2. Novena Edicin. Mc Graw Hill. Mxico, 1996.

Bolinaga, Juan. "Mecnica elemental de los fluidos". Fundacin Polar. "Universidad Catlica Andrs". Caracas, 1992.

Enciclopedia Salvat, Ciencia y Tecnologa. Tomo 12 y 14. Salvat Editores, S.A. Primera Edicin. Barcelona, 1964.

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