Laboratorio de Instrumentación Básica

Practica 3 Aparato Medidor de Flujo

4/12/2014, II Termino Académico

Bonifaz Martínez Jorge Santiago

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil - Ecuador

jbonifaz@espol.edu.ec

Resumen

Esta práctica tuvo como objetivo principal conocer el principio de funcionamiento de un medidor de flujo con base diferencia de presión. Se manipulo tres tipos de instrumentos cada uno con geometría y propiedades variadas. Estos tres eran Venturi, tobera y placa orificio, cada uno de ellos llevaban resultados más cercanos al teórico. El instrumento de medición más preciso fue el venturi ya que la geometría del mismo permitía que el fluido utilizado pase por su totalidad y se acomode, mientras que en la placa orificio por su geometría aerodinámica abrupta, no le daba suficiente tiempo ni espacio para que el caudal pase por su totalidad. En los 3 medidores se pueden encontrar errores de paralelismo y multiplicidad, pero son muy pequeños para no hacer un análisis amplio. Se comparó flujo teórico, y 3 experimentales concluyendo que el más cercano a la respuesta teórica fue el Venturi

Palabras Claves: Diferencia de presión, flujo teórico, geometría aerodinámica, errores de paralelismo y multiplicidad.

Abstract

The main purpose in this practice was to determine the basic principles of functioning of a flow mass instrument. Three different types of instrument were used, each one with different geometry and properties. These three were Venturi, Diffuser and orificial plate, each one have close results to the teorical flow, the venture was the most accurate possible due to its body geometry of , in the other hand the orificial plate had the most aberrant result due again to it non aerodynamic geometry. The 3 instruments had different errors that involved parallelism and multiplicity. The most accurate measuring device was the venture tube due that only 20% from the data was different from the theorical flow.

Key Words: Aerodynamic body, accuracy, theorical flow, pressure difference, parallelism/ multiplicity

Introducción

Placa orificio:

Es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lámina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico o segmentado y se fabrica de acero inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensión exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje.Con las placas de orificio se producen las pérdidas más grandes de presión en comparación a los otros elementos primarios para medición de flujo más comunes, con las tomas de presión a distancias de 2 ½ y de 8 diámetros antes y/o después de la placa se mide la pérdida total de presión sin recuperación posterior.

Desventajas en el uso de la placa de orificio1. Es inadecuada en la medición de

fluidos con sólidos en suspensión.2. No conviene su uso en medición de

vapores, se necesita perforar la parte inferior.

3. El comportamiento en su uso con fluidos viscosos es inacertado ya que la placa se calcula para una temperatura y una viscosidad dada.

4. Produce las mayores pérdidas de presión en comparación con otros elementos primarios de medición de flujos.

Fig.1 Placas Orificio

Venturi:

Es un dispositivo que origina una pérdida de presión cuando un fluido pasa por él. En esencia, éste dispositivo es una tubería corta recta, o de garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo, o bien, uniéndola a un depósito carburante, se puede introducir este combustible en la corriente principal.

La principal ventaja del Venturi 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.

El Tubo Venturi puede tener muchas aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar que en la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo que es la Alimentación de Combustible.

Fig.2 Tubo Venturi

Tobera (difusor):

Las toberas son de dos tipos, las de radio grande y las de radio pequeño. La tobera, con su entrada suave redondeada, elimina prácticamente la vena contractada y da coeficientes de descarga (Cd) próximos a la unidad. Las pérdidas no recuperables siguen siendo grandes, ya que, no hay difusor para la expansión gradual posterior.

Éstas se pueden utilizar como elementos medidores de caudal tanto en conductos  (tuberías) como en cámaras impelentes y se instalan con brindas roscadas con un macho, de acuerdo con las normas ASME o con otras especificaciones de normas.

Fig.3 Tobera

Pérdida de Carga:

En todo medidor de caudal en la teoría no se consideran las pérdidas de caudal. En la práctica si existen estas pérdidas pueden ser por carga (fricción) o menores (accesorios), las pérdidas de carga se producen por la disminución de diámetros que existen en los medidores de caudal. El coeficiente de perdida es un factor que se multiplica por el caudal real, y este nos indicara el caudal teórico que fluye por el instrumento. La pérdida de carga es mayor en una palca orificio, mediana en tobera y baja en Venturi.

Materiales y Métodos

Los materiales y equipos se encuentran ubicados en un banco de pruebas extenso que contiene la mayor parte de estos materiales. El banco de prueba está constituido por:

Tanque de pesaje Medidor Venturi Medidor Placa orificio Medidor tobera difusor

Se usó un cronometro para medir el tiempo en que se llena el tanque de pesaje así se encuentra el flujo másico.

En el banco de prueba además consta un tanque presurizado, y escala de medición en las mangueras adyacentes de los medidores tanto como rotámetro.

El procedimiento consistía en tomar datos de manera ascenderte o descendente.

Se abrió la llave de paso para una cierta medida fija en el rotámetro, se anotó esta altura como hr, y así se fue tomando las mediciones que se generan en los diferentes medidores de caudal, guiarse con los subíndices de los medidores que indican en la figura #4. Una vez finalizado esta toma de datos de la altura gire la palanca y cronometre el tiempo en el cual la palanca tiende a subir. Repita 10 mediciones de manera ascendente y anótelas todas en una tabla de datos.

Fig.4 Banco de pruebas.

Resultados

Se sacaron los siguientes datos para obtener las velocidades y flujos másicos necesarios.

ha

(m)hb

(m)hc

(m)hd

(m)he

(m)hf

(m)Y (cm) Cantidad

de Agua (Kg.)

T (seg.)

0,293 0,228 0,28 0,314 0,285 0,216 10 15 48,810,296 0,222 0,284 0,315 0,288 0,223 11 15 45,080,302 0,215 0,285 0,316 0,294 0,2 12 15 42,060,306 0,21 0,289 0,318 0,297 0,19 13 15 39,880,312 0,204 0,291 0,32 0,3 0,182 14 15 36,280,317 0,196 0,295 0,321 0,305 0,173 15 15 35,430,324 0,185 0,294 0,32 0,305 0,155 16 15 32,810,231 0,08 0,205 0,216 0,225 0,05 17 15 29,960,24 0,075 0,214 0,215 0,228 0,037 18 15 29,86

0,245 0,058 0,21 0,215 0,228 0,02 19 15 27,10

Para obtener los resultados se procedió de la siguiente manera.

El flujo másico se halla usando:

flujomasicoteorico= ρV A

Ecuacionde energia (1 ) P1

ρg+V 1

2

2g+Z1=

P2

ρg+V 2

2

2 g+Z2

Alestar amismonivelde refercnia Z1=Z 2Ecuacionde caudal (2 )ρV 1 A1=ρV 2 A2¿¿

al ser elmismo fluidoincompresible rho1=rho2V 1 A1

A2¿=V 2 ¿

Coneste resultado se regresa ala ecuacion (1 )

P1

ρ−P2

ρ=V 2

2

2−V 1

2

22( P1

ρ−P2

ρ )=(V 2 A2

A1)

2

−V 12√ 2( P2

ρ−P1

ρ )( A2

A1)

2

−1

=2√ 2 g( h11

−h21 )

( A1

A2)

2

−1

=V 1

Ejemplo de cálculo con Venturi:

√ 2∗9.81ms2 ( 236

1000m− 274

1000m)

(π4∗16mm

2

π4∗26mm2 )

2

−1

=V 2V 2=0.42

msA2=

π4

( 161000

)2

=2,011∗10− 4m2

Caudalexp .=V 2∗A2

Caudalexp .=(1,433∗2,01062∗10−4 )=2,881∗10−4m3

s

Ejemplo de cálculo con tobera:

√ 2∗9.81ms2 ( 314

1000m− 280

1000m)

(π4∗51mm

2

π4∗26mm2 )

2

−1

=V 3V 4=0.4281

msA4=

π4( 511000

)2

=0,0020m2

Caudal=V 4∗A4Caudal tobera exp .=8,746¿10−4 m3

s

Ejemplo de cálculo con placa orificio:

√ 2∗9.81ms2 ( 216

1000m− 285

1000m)

(π4∗20mm

2

π4∗51mm2 )

2

−1

=V 5V 5=0,8944

msA5=

π4

( 201000

)2

=3,1415∗10−4m2

Caudal=V 5∗A5Caudal tobera exp .=2,809¿10−4m3

s

Tabla de resultados

Para el Venturi

Flujo másico experimental (kg/s)

Flujo másico Real(kg/s)

Coeficiente de descarga (Cd)

0,28 0,31 0,900,30 0,33 0,910,33 0,36 0,920,35 0,38 0,920,37 0,41 0,900,39 0,42 0,930,42 0,46 0,910,43 0,50 0,860,45 0,50 0,900,49 0,55 0,89

Fig.5 Curva de calibración Tubo venturi.

Para la Tobera

Flujo másico experimental (kg/s)

Flujo másico Real(kg/s)

Coeficiente de descarga (Cd)

0,988728777 0,307314075 0,31081737 0,944101229

0,332741792

0,35244292

0,944101229

0,356633381

0,37774909

0,913138628

0,376128385

0,41190721

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.60

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

f(x) = 0.821364214961526 x + 0.0382050413622345R² = 0.990554504811821

Curva de calibracion de tubo Venturi

Flujo Masico Real

Fluj

o m

asico

Expe

rimen

tal

0,913138628

0,413450937

0,45278003

0,864618234

0,423370025

0,48966123

0,864618234

0,45717769 0,52876249

0,562385427

0,500667557

0,89025699

0,169565586

0,502344273

2,9625367

0,379160178

0,553505535

1,4598198

Fig.6 Curva de calibración Tobera.

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

f(x) = − 2.93224083113695 x + 1.99273875262327R² = 0.700278751395596

Curva de calibracion de Tobera

Flujo masico Real

Fluj

o m

asico

Exp

erie

mnt

al

Para la Placa Orificio

Flujo másico experimental (kg/s)

Flujo másico Real(kg/s)

Coeficiente de descarga (Cd)

0,280975904 0,307314075 0,9142959 0,272710092

0,332741792

0,81958473

0,327950621

0,356633381

0,91957354

0,349893939

0,376128385

0,93025135

0,367439241

0,413450937

0,88871304

0,388625682

0,423370025

0,91793386

0,414276369

0,45717769

0,90616051

0,44746962

0,500667557

0,89374599

0,46747804

0,502344273

0,93059295

0,487838643

0,553505535

0,88136181

Fig.7 Curva de calibración Placa Orificio.

Fig.8 Curva de calibración del rotámetro.

0.2 0.3 0.4 0.5 0.60f(x) = 0.91168028137 x − 0.004567186

R² = 0.973214020793699

Curva de placa orificio

Flujo masico Real

Fluj

o m

asico

Ex-

perim

enta

l

8 10 12 14 16 18 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

f(x) = 0.0265222932620335 x + 0.0377601127758179R² = 0.987870429718906

Curva de Calibracion del rotametro

Y(cm)

Fluj

o m

asico

real

(kg/

s)

Análisis de Resultados

En el medidor de flujo se puede observar que existe una gran similitud entre su caudal teórico y el experimental esto se debe a la forma del medidor, es una forma que permite que la mayoría del flujo pase en su totalidad por lo cual su caudal experimental será muy cercano al teórico. Como toda medición este contiene errores tanto de paralelismo como de multiplicidad, el error de multiplicidad 0.82 lo cual indica que un 0.18 de las muestras tomadas no fueron tomados adecuadamente, si la multiplicidad fuera 1 el instrumento fuese lineal y solo existiría error de paralelismo. El paralelismo en este caso 0.038 indica que las muestras no están muy alejadas de sus mediciones reales.

En la tobera el medidor de flujo se observa que tiene un coeficiente de arrastre de 0.30-0.90 lo cual indica que llega a pasar menos de la mitad del caudal original, esto se debe a este medidor a pesar de que contiene esa una forma adecuada para los cálculos, no le basta al fluido para que se acomode y pase en su totalidad. En los errores de multiplicidad y paralelismo, -2,93 y 1,99 respectivamente, respectivamente indica de que la cantidad de fluido que pasa por la tobera disminuye y no existe mucha linealidad entre el caudal experimental y teórico. Por eso el factor de corrección Cd llega a ser mayor a la unidad. Lo único rescatable en la recta es el error de paralelismo que contiene una magnitud un poco alta.

La placa orificio fue el que contenía un coeficiente de arrastre menor del resto, esto significa de todos los medidores en este paso menos fluido, nuevamente eso se debe a la geometría de la placa, este orificio es un hueco abrupto que aparece en nuestro medidor, aunque se encuentre presente este defecto se concluye que casi todo el caudal

pasa atravesó de la placa orificio. Sus errores de multiplicidad y paralelismo, son cercanos a la recta original lo cual nos indica que esta recta si se adapta a nuestros datos de forma experimental.

En el rotámetro no se puede hacer un análisis tan crítico ya que los dos ejes de esa grafica no tienen una relación directa, por ende el coeficiente de descarga no es posible de analizarlo.

Conclusiones

Existe una relación cercana entre geometría y coeficiente de arrastre, esto se debe principalmente a que una buena geometría permite que el flujo se acomode y la mayoría del mismo no se quede atrapado. El mayor coeficiente indica que un porcentaje mayor logro ingresar a esa toma de velocidad siempre existirán perdidas sea por carga, viscosidad, accesorios, mala geometría pero esta se trata de minimizar así se tiene un caudal más real. Existe una relación proporcional a Cd a costo, esto quiere decir que si existe un mayor Cd en nuestro instrumento el costo de instalación y mantenimiento del mismo será mayor que en comparación a los demás que contienen un menor Cd.

Fuentes Bibliográficas:

Paginas web:

proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/orificio/

.monografias.com/trabajos6/tube/tube.shtml#ixzz3LtJxJaDH