UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA

ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

LABORATORIO N° 02

“MANÓMETROS”

CURSO:

MECÀNICA DE FLUIDOS (AI – 344)

PROFESOR:

-Ing. SUAREZ ACOSTA, PEDRO ANTONIO.

ALUMNO:

- JURADO MENESES, José Enrique.

CICLO ACADÉMICO: 2015-II

FECHA DE EJECUCIÓN: 09-09-2015

AYACUHO – PERÚ2015

RESUMEN

En la práctica desarrollada se estudió los diferentes tipos de manómetros que existen, en especial: manómetro diferencial en U (líquido), manómetro (Bourdon) y piezómetro; también sus aplicaciones en laboratorios e industrias, sus grados de precisión y las diferencias entre sus lecturas.

Se hizo un estudio matemático sobre el efecto que tiene el caudal sobre la presión. Donde también se observa un fluido manométrico.

Las mediciones de presión son las más importantes que se hacen en la industria; sobre todo en industrias de procesos continuos, como el procesamiento y elaboración de compuestos químicos. La cantidad de instrumentos que miden la presión puede ser mucho mayor que la que se utiliza en cualquier otro tipo de instrumento.

La presión es una fuerza que ejerce sobre un área determinada, y se mide en unidades de fuerzas por unidades de área.

Las mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un vacío, hasta miles de toneladas de por unidad de área.

Los principios que se aplican a la medición de presión se utilizan también en la determinación de temperaturas, flujos y niveles de líquidos. Por lo tanto, es muy importante conocer los principios generales de operación.

ÍNDICE

Pag.

RESUMEN 2

I. OBJETIVOS 4

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1. Presión 42.2. unidades y escalas de medidas de presión 42.3. VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN UN FLUIDO INCOMPRESIBLE 52.4. Manómetros 62.4.1. Tipos de Manómetro 62.5. Aleación de metales 7

III. MATERIALES Y MÉTODOS 7

3.1. Materiales 83.2. Procedimiento experimentales 8

IV.DATOS EXPERIMENTALES 8

V. CUESTIONARIO 9

VI.DISCUSIÓN 16

VII. CONCLUSIÓN 16

VIII. RECOMENDACIONES 16

IX. BIBLIOGRAFÍA 17

I. OBJETIVOS:

Identificar, comprender, diferenciar el funcionamiento y el uso de los manómetros tipo piezómetro, manómetro en “U”, manómetro diferencial y el de Bourdon.

Operar y realizar mediciones con los diferentes manómetros.

II. FUNDAMENTO TEORICO:

II.1.PRESIÓN:De acuerdo a lo expuesto en la definición de esfuerzo, se define presión media como la razón entre la fuerza normal que actúa sobre un área plana y dicha área:

P=FNA

[2.1]

La presión en un punto es el límite de la presión media, cuando el elemento de área tiende a cero (la presión no es una magnitud vectorial).

p= limΔA→ 0

ΔFΔA

=dFdA

II.2. UNIDADES Y ESCALAS DE MEDIDAS DE PRESIÓN:En el S.I. se llama Pascal ( Pa ) : 1 Pa = 1 N/m2

En el C.C.S. se llama Baria : 1 Baria = 1 Dina/cm2

Como unidad práctica para medir presión se usa la altura equivalente de columna de algún líquido determinado, se suele usar el mm columna de mercurio que se le llama Torr.

l milímetro de Hg = l Torr.

Las presiones se expresan con respecto a un nivel de referencia. Si este nivel es el vacío, la presión se llama presión absoluta, y cuando se toma como origen la presión atmosférica local, se llama presión manométrica.

Figura 2.1. Escalas de presión: absoluta y relativa.

Figura Nº1. Escalas de presión absoluta y relativa

La presión manométrica es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local, así podemos tener presiones manométricas la cual puede ser positiva, como también puede ser negativa.

pman= pabs−po

Una presión de una atmósfera equivale a:

p0= 101.300 pa = 76 cm de Hg = 10.34 metros columna de H20 = 14.7 Lb/plg2

(www.koboldmessring.com)

1 atmosfera normal

Presión absoluta siempre (+) Presión

relativa + Presión atmosférica normal

Presión barométrica local varía con el lugar y el tiempo

Presión relativa (-)

Presión absoluta siempre (+)

Succión, vacío

Presión atmosférica local

A

B

VACÍO COMPLETO

(CERO ABSOLUTO)

II.3. VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN UN FLUIDO INCOMPRESIBLE:

Los líquidos son fluidos incompresibles, por consiguiente en el sistema definido por la figura nº 02, la densidad del líquido permanece constante.

Figura Nº2. Variaciones de la presión en un fluido incompresible.

Utilizando la ecuación fundamental de la estática:

dP = -ρ g dZ [2.2]

Donde:

P = Presión (Pa)ρ = Densidad (Kg/m3)g = Aceleración de la gravedad (m/s2) Z = Altura (m)

Integrando la ecuación [2.2]:

∫P1

P 2

dP=−ρ g∫Z1

Z2

dZ

P2−P1=−ρ g (Z2−Z1 )

P2−P1=−ρ g (h )

Para presiones relativas, tomando el cero relativo, para la presión atmosférica local en el punto 2 se tiene:

P2=Patm=0

Por consiguiente:

Z(+) h

.

Z2

Z1

2

1

P1=ρ g (h ) [2.3]

Donde: P1 = Presión relativa en el punto 1.

II.4. MANÓMETROS:

Los manómetros son aparatos o dispositivos que se emplean para medir diferencias de presiones con relación a la presión atmosférica o al vacío completo.

II.4.1. Tipos de manómetros:

II.4.1.1. Tubos Piezométricos: Son instrumentos para medir la presión estática en un líquido, midiendo la ascensión del mismo líquido en el tubo y no requiriendo otro líquido manométrico distinto. Son de gran precisión y sirven para medir presiones manométricas que no exceden mucho la presión atmosférica, ya que se necesitaría una columna muy grande. El diámetro del tubo piezométrico debe de ser de alrededor de 5 mm con la cual se evita correcciones por menisco. Los piezométricos son muy precisos, sirven para medir pequeñas presiones relativas, la presión se lee en columnas de líquido del fluido que está fluyendo o del líquido que contiene el recipiente donde está instalado.

II.4.1.2. Manómetros de líquidos: Si cada rama del manómetro se conecta a distintas fuentes de presión, el nivel del líquido aumentará en la rama a menor presión y disminuirá en la otra. La diferencia entre los niveles es función de las presiones aplicadas y del peso específico del líquido del instrumento. El área de la sección de los tubos no influyen en la diferencia de niveles. Normalmente se fija entre las dos ramas una escala graduada para facilitar las medidas. Las dos variedades principales son el manómetro de tubo de vidrio, para la simple indicación de la diferencia de presiones, y el manómetro de mercurio con recipiente metálico, utilizado para regular o registrar una diferencia de presión o una corriente de un líquido.

Barómetro de cubeta. Barómetro de U. Manómetro de líquido para presiones relativas. Vacuómetro de líquido para presiones absolutas. Manómetro diferencial en U. Micromanómetro de tubo recto e inclinado. Multimanómetro.

II.4.1.3. Manómetros metálicos: En los manómetros metálicos la fuerza de presión de fluido actúa sobre un tubo elástico, un émbolo, un resorte, o una membrana, que transmite la presión a una aguja que recorre una escala graduada, a través de un mecanismo

simple de palanca y piñón. Los manómetros metálicos miden presiones de vacío (presiones relativas negativas) al 100%, y presiones positivas hasta 10000 atmósferas, son usadas para medir presiones en la ingeniería de los procesos químicos, como presiones del vapor de agua y gases comprimidos. Los principales manómetros metálicos son:

Manómetro de émbolo. Manómetro de Bourdon para presiones absolutas. Manómetro de tubo Bourdon. Manómetros de fuelle metálico. Manómetro de membrana. Manómetro de grandes presiones. Manómetros diferencial combinado de diafragma y resorte.

II.5.ALEACIÒN DE METALES:Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico). Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria:

Acero : Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición, sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición.

Acero inoxidable : El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa

Alpaca : Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%)

Bronce : Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %.

Cuproaluminio : Es una aleación de cobre con aluminio. Magnam : Es una aleación de Manganeso que se le añade Aluminio y Zinc. Nicrom : Es una aleación compuesta de un 80% de níquel y un 20% de cromo. Nitinol : titanio y níquel. Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata,

paladio, o níquel.

III. MATERIALES Y MÉTODOS:III.1. MATERIALES:

Agua Dispositivos para medir la presión. Tubos Piezométricos Manómetros en forma de U ( agua, mercurio). Manómetro de bourdon

III.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Utilizando un manómetro diferencial en U, mida la diferencia de alturas entre cada rama causada por la presión ejercida sobre una de ellas al paso del agua por la tubería.

Hacer la medida de la presión a diferentes caudales. Calcule la presión correspondiente al manómetro diferencial en U.

IV. DATOS EXPERIMENTALES:

Figura N°01: Modelo de un piezómetro y un manómetro diferencial en U.

MANÓMETRO TIPO CARACTERÍSTICAS

1 Piezométrico -trabaja con un solo líquido.- se utiliza a presiones bajas.

2 Manómetro en líquido en “U” -como mínimo utiliza dos líquidos.

-se hacen los cálculos para hallar la presión.

3 Manómetro diferencial -mide la variación de presiones.

4 Bourdon -este manómetro mide a temperaturas muy altas.

Tabla nº1: Resultados de la lectura de presión en el piezómetro.

Cuadro N°02: Datos obtenidos en el manómetro diferencial en U.

Manómetro diferencial en U Lectura del manómetro, (mm.c.Hg) =

R

Válvula de globoLectura

izquierda, (mm.c.Hg)

Lectura derecha,

(mm.c.Hg)193 148 45210 130 80260 80 180290 48 242

Tabla nº2: Resultados de la lectura de presión en el manómetro diferencial en U

Ecuación general para calcular la diferencia de presiones en los manómetros diferenciales en U.

Pa – ρagua× g×h−ρHg×R+ ρagua×g×R+ρagua×g×h=Pb

Que se reduce a:Pa – Pb=g× R (ρHg−ρagua )

1) Determinar la presión y la densidad de aire a 9000 pies y a una atmósfera isotérmica de 4 °C, si la presión al nivel del mar es de 1Kgf/cm2.

Paire=P0∗e−γairePo

∗h

Lectura del

rotámetro

Manómetro diferencial en U

Lectura del

manómetro,

(mm.c.Hg) = R

Válvula de globoLectura

izquierda, (mm.c.Hg)

Lectura derecha,

(mm.c.Hg)15 193 148 4520 210 130 8030 260 80 18035 290 48 242

Dónde:

- Pa : presión del aire- Po :presión inicial.- γaire :peso específico del aire.- h :altura.

Hallando la presión del aire.

Paire=1kg fcm2

∗e

−( 12.1Nm3

)

1kgfcm2

∗9000 pies( 0.01m0.032808 pies )

Paire=1kg fcm2

∗e

−(33143.12N

m2)

1kgfcm2

∗(1kgfcm2

98066.5Nm2

)

Paire=1kg fcm2

∗e

−(0.3385 kgfcm2

)

1kg fcm2

Paire=0.7128kg fcm2

Hallando la densidad del aire a 4°C

Con la siguiente fórmula:ρaire=

M aire∗(P1P0

)

22.4Dónde: M aire: peso molecular del aire (N2=0.92 , O2=0.21)[Kg /Kg−mol ]

P1=Paire= 0.7128kgfcm2

P0=¿presión inicial= 1Kgf/cm2

A condiciones normales= 22.4 L/mol

ρaire=1.31∗(0.7128

1)

22.4

h= 9000pies T=4°C P0= 1Kgf/cm2

Si a T= 4°C, el peso específico del aire es12.1N/m3.

ρaire=0.0417 kg/m3

V. DISCUSIONES:

Realizamos medicines experimentales con el nanómetro líquido, el tipo fue un manómetro diferencias en U lo cual contenía dos líquidos en este caso el mercurio de densidad conocida y por encima de este se encontraba el fluido que fluye en la tubería, en este caso el agua.

Por los resultados obtenidos experimentalmente, podemos decir que la presión en el punto 1 es mayor que el punto 2, ya que el fluido que fluye empuja y genera mayor presión; esto debido al efecto del caudal; es decir; que a mayor caudal, mayor es la caída de presión.

Como en los textos menciona que el fluido manométrico tiene que ser más denso e inmiscible, en la práctica vimos que efectivamente el mercurio es más denso e inmiscible ante el agua.

También Podemos mencionar que existe perdida de presión, esto a causa de la fricción en tuberías y por el uso de accesorios, como válvulas, codos, etc. Mientras más larga o ancha sea la tubería, mayor es la pérdida de la caída de presión.

VI. CUESTIONARIO:

VI.1. Explique los tipos de manómetros utilizados en la práctica de laboratorio.

Manómetro de Bourdon: El manómetro de Bourdon depende, precisamente, de la elasticidad de los materiales utilizados en su construcción. Este manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos que requieran medición de presiones, consiste de un tubo metálico achatado y curvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo (ver figura Nº03).

Figura Nº3. Manómetro de Bourdon

Tubos piezométricos: Son instrumentos para medir la presión estática en un líquido, midiendo la ascensión del mismo líquido en el tubo y no requiriendo otro líquido manométrico distinto. Son de gran precisión y sirven para medir presiones manométricas que no exceden mucho la presión atmosférica, ya que se necesitaría una columna muy grande.

Figura Nº4. Piezómetro

Manómetro Diferencial en U: Las etapas o pasos que se utilizan en el cálculo de diferencia de presiones son: Numero de "puntos estratégicos" indicados por los niveles de contacto de los fluidos. Se requiere cierta práctica para escoger los puntos que permitan los cálculos más sencillos. A partir de la carga de presión incógnita P/ h en uno de los puntos extremos, escríbase una suma algebraica continua de cargas , pasando de un punto a otro e igualando la suma continua a la carga incógnita P / h en el otro extremo.

Figura Nº5. Manómetro

VI.2. Revisar en la bibliografía, que es un Micromanómetro con dos líquidos manométricos y obtener una ecuación para hallar la diferencia de presión, si está instalado en una tubería con un fluido que está fluyendo.

FiguraNº6 : micromanómetro

Micro manómetros (cambio de presión muy pequeños) Un Micro manómetro que se usa para medir cambios de presión muy pequeños.

P1 - P2 = YI(Z2 – Z1)P2 – P3 = Y2(Z3 – Z2)P3- P4 = Y3(Z4 – Z3)P4 – P5= Y2(Z5 – Z4)

Si sumamos estas ecuaciones y hacemos que P5=0 tenemos

P1 = Y1(Z2- Z1) + Y2(Z3- Z2) + Y3(Z4 – Z3) + Y2(Z5 – Z4)

= Y1(Z2 – Z1) + Y2(Z5 - Z2) + (Y3 - Y2)(Z4 – Z3)

=Y1(Z2 – Z4) + Y2h + (Y3 - Y2) H

Observe que en todas las ecuaciones anteriores para los tres manómetros hemos identificado todas las interfaces con un punto. Esto siempre es necesario al analizar un manómetro. El micro manómetro puede medir cambios de presión de poca magnitud porque un pequeño cambio de presión en P1 produce una desviación H relativamente grande. El cambio de H debido a un cambio en P1 puede determinarse utilizando la ecuación. Por tanto, podemos evaluar un cambio de

presión Δ

p1 a partir de los cambios en las desviaciones como sigue:

ΔP1 = Y1(-

Δz) + y(2

ΔZ) + (Y3 – y)2

Δz D2/ D2

La tasa de cambio de H con P1 es

H = 2Δ

z D2/d2

ΔP1

ΔP1

Utilizando las ecuaciones, tenemos:

ΔHΔp1

= 2d2/d2

y1+2 y2+2 ( y3− y2)D2 /d2

PERRY (1996)

VI.3. ¿Cómo se podría medir la presión absoluta en la ciudad de Quinua? Existen 2 métodos prácticos para medir la presión absoluta.

Primer método: Utilizando un barómetro de cubeta, que es un instrumento que consiste en un tubo de vidrio que está cerrado en un extremo y cerrado en el otro, el tubo se llena con mercurio y luego se invierte en posición vertical con el extremo abierto sumergido en una cuneta que contienes mercurio. La lectura directa del barómetro da la altura de una columna de mercurio que es la presión atmosférica del lugar. La presión atmosférica Patm

actúa sobre la superficie libre del mercurio en la cubeta, esta presión es igual a la del tubo vertical en el mismo nivel, por consiguiente:

Patm= P0 + pHg g h

Figura Nº 7 : manómetro de Hg

ρHg : densidad del mercurioP0 : presión de vapor del mercurio en el espacio de la parte superior del tubo = 0.173 Pa

Segundo método: Teniendo la altura de la ciudad de quinua se igualara con las tablas de “ la variación presión atmosférica con la altura”

Ejm: Altura sobre el mar de quinua 2750 msnm

Hg

h

P0

Patm

Teniendo una presion absoluta de 7.28 m.c. agua.Por lo tanto:

P = 7.28 m.c.q.

760mm .hg10 .3m .c .q

P = 537.2 mmHg

VI.4. ¿qué es un fluido manométrico? En qué consiste un manómetro diferencial en U.

Es el líquido que posee un manómetro, de forma que, la presión se mida a partir de la diferencia de altura que alcanza el líquido entre sus 2 ramas. El más utilizado es el mercurio. El manómetro diferencial mide la diferencia de presión manométrica entre dos puntos (P1 y P2) de

allí su nombre. Su uso es muy frecuente en filtros en línea. De esta forma se puede observar fácilmente lo obturado que se encuentra el filtro midiendo la diferencia de presión entre la entrada y la salida del filtro.

VI.5. Explique cómo funciona un manómetro de embolo o de peso muerto.Consiste en un instrumento de lectura nula en el que se añaden pesos a la plataforma de un pistón hasta que el pistón alcanza una marca fija de referencia. En ese momento la fuerza de los pesos sobre el pistón equilibra la presión ejercida por el fluido bajo el pistola presión del fluido se calcula, por tanto, en términos del peso añadido a la plataforma y el área conocida del pistón instrumento posee la capacidad de medir presiones con un alto grado de precisión, pero es incómodo. Su mayor aplicación es como instrumento de referencia con el que calibrar otros dispositivos medidores de presión. Existen versiones disponibles que permiten medir presiones por encima de los 7000 bares.

VII. CONCLUSIONES:

Identificamos, comprendimos, diferenciamos el funcionamiento y el uso de los manómetros tipo piezómetro, manómetro en “U”, manómetro diferencial y el de Bourdon.

Hallamos la presión del agua cuando este fluye por el sistema de tuberías a diferentes caudales.

VIII. RECOMENDACIÓNES:

Tener cuidado al encender la bomba de funcionamiento del sistema de tuberías. Mantener con cuidado la velocidad del caudal de agua en el sistema de tuberías ya que se

puede perder el mercurio.

IX. BIBLIOGRAFÍA:

PERRY. JOHN H. Ph D. Mc Graw (1996) “Mecánica de Fluidos Aplicada (cuarta edición)” México 12, D.F. Hill Book Company Inc.

STREETER VICTOR L. (1975) “Mecánica de fluidos” LitografiaIngrame por S.A. Mexico

Páginas web

www.monografias.com visitado 27/08/14 www.koboldmessring.com visitado 31/08/14