FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIN LABORATORIO DE FSICA DE FLUIDOS

DEPARTAMENTO DE FSICA-UNIVERSIDAD DEL CAUCAFACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIN LABORATORIO DE FSICA DE FLUIDOS1

PRCTICA 9

TUBO VNTURI

9.1. OBJETIVO

1. Conocer varios sistemas de medicin de caudal en conductos a presin.

2. Determinar las ecuaciones de patronamiento de distintos dispositivos para medicin de caudal en conductos a presin.

9.2. GENERALIDADES

En las tuberas a presin es generalmente necesario conocer el caudal que est pasando en un momento dado. Con base en principios hidrulicos muy sencillos se construyen dispositivos que debidamente patronados e instalados, pueden medir el caudal con bastante precisin.

9.3. REFERENTES TERICOS

TIPOS DE MEDIDORES

Entre los medidores ms comnmente usados estn los siguientes: Medidores de hlice. Medidores de rea variable. Medidores diferenciales.

MEDIDORES DIFERENCIALES

Estos dispositivos funcionan con base en la reduccin de la presin que se presenta entre dos puntos del aparato, la cual es directamente proporcional al caudal. Para lograr una mayor sensibilidad, se construyen de tal forma que la diferencia de presiones sea grande. La diferencia de presin se obtiene con la reduccin de la seccin de flujo, que puede ser brusca o gradual, tal que aumente notoriamente la velocidad. Los tipos ms usados en tuberas son los diafragmas, las toberas y los tubos Vnturi. Su diferencia radica en la forma de la reduccin de la seccin de flujo.

En los tubos Vnturi la contraccin es gradual formada por conos convergentes y divergentes, con distancia mayor que en las toberas por lo que la prdida de energa es menor. Figura 1.

Figura 1. Medidor diferencial, tipo Vnturi. Modificada de Vennard & Street, 1985.

Constan de tres partes principales, como se aprecia en la Figura 1: 1. La entrada de forma cnica convergente, entre secciones (1) y (2). 2. La garganta de forma cilndrica. 3. El difusor de forma cnica divergente.

Estos medidores se especifican por el dimetro de la entrada D y por el de su garganta d. Generalmente se fabrican con relaciones d/D entre 0.25 y 0.75, siendo ms exactos cuanto menor sea el valor de la relacin. Para minimizar las prdidas de carga, Vennard & Street (1985), recomienda utilizar un ngulo convergente de 20 y un ngulo divergente entre 5- 7, como se observa en la Figura IV.3. Los tubos Venturi se fabrican en varios materiales y de dos tipos. a) Tubos Venturi Cortos: longitud entre 3.5D y 5D. b) Tubos Venturi Largos: longitud entre 5D y 12D

Entre la entrada y la salida se produce una prdida de carga la cual es proporcional directamente a la diferencia de presiones entre la entrada y la garganta e inversamente a la relacin d/D. La prdida de carga es mayor en tubos cortos que en los largos de igual relacin d/D. Para un mismo tipo de tubo, la prdida es mayor cuanto menor sea el dimetro de su garganta. Entre los diferentes dispositivos de medicin de caudal en tuberas, los tubos Venturi, por tener una contraccin gradual del flujo, son los que menos prdidas de carga generan; sin embargo, son los ms costosos para su construccin e instalacin.

ECUACIN DEL CAUDAL

Se aplica la ecuacin de energa, sin considerar las prdidas de carga, entre una seccin (1) a la entrada del venturmetro y otra seccin (2) en la garganta del venturmetro, como se aprecia en la Figura 1.

: cota del eje de la seccin (1) y (2) respectivamente.

: Cabeza de presin en la seccin (1) y (2) respectivamente.

V1 y V2: velocidad en la seccin (1) y (2) respectivamente.

Para una tubera horizontal:

: cota piezomtrica en la seccin (1): cota piezomtrica en la seccin (1)

: diferencia de presiones entre la entrada y la garganta.

Por continuidad:

y despejando para V2 se tiene la velocidad terica pues no se han considerado las prdidas de energa

El caudal terico ser:

Las expresiones anteriores fueron derivadas para el caso de un fluido ideal, sin friccin; sin embargo, debido a los efectos de friccin y por la consecuente prdida de carga, la velocidad real ser menor y por ende el caudal real ser tambin menor. Para considerar este efecto se utiliza el coeficiente de velocidad Cv, determinado experimentalmente, as la velocidad real en la seccin (2) es:

El coeficiente de velocidad Cv depende del nmero de Reynolds en la contraccin (seccin 2) y de la relacin entre los dimetros en la tubera y la garganta, como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Coeficiente de velocidad Cv para un medidor Vnturi. Modificado de Vennard & Street, 1985.

El caudal real estar dado por QR = VRA2, considerando que por la forma del Venturmetro el efecto de la contraccin es mnimo. Por lo tanto:

en donde:

se tiene finalmente una expresin para el caudal real:

En general, el coeficiente de descarga Cd depende de:

1. El grado de estrangulamiento A1/A2 = (d/D)2, en donde D es el dimetro de la seccin (1) y d es dimetro de la garganta en la seccin (2). 2. La viscosidad del fluido. 3. La rugosidad de las paredes internas del tubo. 4. Del tipo de medidor Vnturi.

Este coeficiente se determina experimentalmente y es caracterstico de cada medidor el cual para valores altos del nmero de Reynolds tiende a ser constante.

Ecuacin de patronamiento del medidor:

9.4. PRCTICA DEL LABORATORIO

9.4.1. CONSIDERACIONES ANTES DE COMENZAR

Cada equipo debe seguir las siguientes recomendaciones para asegurar el buen desempeo en la actividad prctica. Realice la experiencia cuidando que las influencias externas (Viento, vibraciones, polvo, orden del equipo) no interfiera en la mesa con el equilibrio del sistema de fuerzas. Atienda las recomendaciones del profesor.

9.4.2. EXPERIMENTO A REALIZAR

En la Figura 3 se presenta el equipo en que se realizar la prctica, el cual consta de las siguientes partes:

Figura 3. Aparato para el estudio de medidores de caudal.

Lea completa y detenidamente esta gua; asegrese de comprenderla y contar con todos los elementos necesarios para la realizacin de la prctica antes de llevar a cabo cualquier otra labor.

Instalar en el Banco Hidrulico el aparato con medidores de caudal. Establecer las dimensiones de la instalacin de cada medidor. Abrir las vlvulas de control de flujo tanto del Banco Hidrulico como del aparato. Sacar el aire de las tuberas principales y de los piezmetros abriendo y cerrando lentamente la vlvula de control del aparato y la vlvula de control de aire. Cerrar la vlvula de aire una vez conseguido lo anterior. Ubicar el termmetro en un sitio adecuado. Abrir completamente la vlvula de control del aparato y mediante el cierre o abertura de la vlvula de control del Banco Hidrulico, establecer el mximo nivel posible en los piezmetros. Aforar el caudal por el mtodo volumtrico y hacer la lectura del caudal que indique el rotmetro calibrado. Comparar los resultados de los dos aforos. Para el mismo caudal, hacer las lecturas piezometricas h1, h2, h3 del Vnturi. Disminuir el caudal cerrando la vlvula de control del Banco Hidrulico, afrelo nuevamente y haga las lecturas piezomtricas correspondientes. Repetir el proceso para el mayor nmero de caudales posible. Leer la temperatura del agua que marca el termmetro. Anote los resultados experimentales.

9.5. PROCESAMIENTO DE DATOS

1. Calcule las secciones del tubo antes y en el estrechamiento, A1 y A2.2. Registre los datos obtenidos en la tabla:No. Obsh1 (cm)h2 (cm)T (s)V (cm3)Qp (cm3/s)

1

2

3

4

5

3. Para cada caudal determine la velocidad real en la garganta y la velocidad terica 4. Calcule las presiones y velocidades en el estrechamiento y antes de l.No. ObsP1 (N/m2)P2 (N/m2)V1 (m/s)V2(m/s)

5. Calcule el caudal prctico medio 6. Para cada observacin determine el caudal terico.

1PRCTICA 9 TUBO DE VENTURI