Nota: 5.0

MEDIDORES DE FLUJO LIQUIDO

FLOW METERS LIQUID

Luisa Fernanda Ríos Cardona, Víctor Daniel Martínez Jaramillo y Yuly Viviana Suárez Bedoya.

Estudiantes de Ingeniería de Alimentos Universidad de Antioquia. Facultad de Química Farmacéutica.

Laboratorio de Operaciones Unitarias 1. Profesora: Gelmy Ciro .

RESUMEN

Actualmente en la industria de alimentos es muy importante la medición de flujo es una función importante en todo este campo ya que se trabaja con ellos para lograr un buen desempeño en la realización de las operaciones regulares en la planta. Estas mediciones permiten realizar el respectivo control de procesos industriales, evaluar los rendimientos e los motores y de los sistemas de refrigeración, lo cual es realmente importante en la industria de alimentos. El objetivo general de esta práctica fue conocer y aplicar el fundamento básico de los medidores de caudal líquido, en el cual determinamos de forma práctica los diferentes caudales y cambios de presión que este sufre. Algunos de los equipos de medición de flujo líquidos proporcionan mediciones primarias directas, otros miden el flujo volumétrico en forma directa. Estos requieren de calibración, o de la aplicación de un coeficiente de descarga.

Palabras claves: medidores de flujo líquido, caudal, presión, rotámetro.

ABSTRACT.

Currently in the food industry is very important flow measurement is a role in this entire field because we are working with them to achieve good performance in the regular operations at the plant. These measurements allow the respective control of industrial processes; assess yields and engines and cooling systems, which is really important in the food industry. The objective of this practice was to understand and apply the basic foundation of liquid flow meters, in which we determine in a practical way the different flows and pressure changes this suffering. Some of the liquid flow measurement equipment provides primary direct measurements, others measure volumetric flow directly. These require calibration, or the application of a coefficient of discharge.

Keywords: liquid flow meters, flow, pressure, rotameter.

INTRODUCCIÓN.

El presente informe del curso de laboratorio de operaciones unitarias l se encuentra dirigido a la profesora GELMY CIRO, con el objetivo de aplicar los conocimientos vistos en el curso, en los cálculos de caudal, coeficientes de descarga del tubo Venturi y de la placa orificio, además de aprender el funcionamiento, las características y el fundamento de estos medidores de caudal líquido.

Estos son los medidores de caudal con los que se trabajó en el laboratorio de operaciones unitarias:

ROTÁMETRO

Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un tubo vertical ligeramente cónico con el extremo de menor diámetro en la parte inferior.

El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la base del flotador; al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de flujo por el área anular, área formada entre el flotador y la pared del tubo y será tal que la caída de presión en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de gravedad y el peso del flotador, en ese momento el flotador permanece estacionario en algún punto del tubo.

La pérdida de presión se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo.Entonces para cada flujo. El flotador alcanza una altura determinada. El tubo cónico lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo máximo. Los rotámetros no necesitan tramos rectos de tubería antes y después del punto donde se instalan.

PLACAS DE ORIFICIO

Son dispositivos que consisten en una reducción en la sección de flujo de una tubería, de modo que se produzca una caída de presión, a consecuencia del aumento de velocidad.

TUBO VENTURI

Este medidor fue inventado por Clemens Herschel en 1881 y lleva el nombre de Venturi por el científico italiano que fue el primero en experimentar en tubos divergentes.Este medidor es el más exacto teniendo una mínima pérdida de presión permanente y permitiendo el paso de 1.6 veces más el flujo que la placa de orificio.El aparato está formado por tres secciones principales, una convergente con ángulo menor a 7°, una sección intermedia que constituye la garganta o estrechamiento y una divergente.

OBJETIVO GENERAL Conocer las características y principios de funcionamiento de diferentes tipos de medidores de

flujo líquido.

OBJETIVOS ESPECIFICOS Aplicar los conocimientos vistos en el curso de Operaciones Unitarias I (Mecánica de fluidos),

en los cálculos de caudal, coeficientes de descarga del tubo Venturi y de la placa orificio.

Interpretar y comparar las gráficas de coeficiente de descarga para Venturi y placa orificio, con los datos reportados en la bibliografía.

METODOLOGÍA.

Para la realización de la calibración del rotámetro lo primero que realizamos fue encender la bomba, luego abrimos la válvula de la descarga de la bomba y dejar que el caudal se estabilice en una medida de 40 en el rotámetro. Tomamos medidas de 20 a 240 contando de 20 en 20 y cada posición del flotador se toma lecturas simultáneas del volumen en un tiempo determinado y se realizaron lecturas directamente del rotámetro. Al terminar cerrar la válvula reguladora y apagar la bomba.

Luego se realizó las medidas en el Venturi, la cual se realizó abriendo las 2 válvulas de Venturi, encendimos la bomba y abrimos lentamente la válvula reguladora para realizar 8 lecturas en el medidor de caudal digital, luego cerramos completamente las válvulas de Venturi y el suministro y se apagó la bomba.

Y por último se realizó las medidas en la placa de orificio en la cual abrimos las 2 válvulas correspondientes a la práctica evitando la formación de burbujas de aire, prendimos la bomba y abrimos cuidadosamente la válvula reguladora y tomamos igualmente 8 lecturas del medidor de caudal digital.

DATOS.

TABLA 1: Calibración del rotámetro.Rotámetro Volumen (gal) Tiempo (seg)40 0,01 860 0,01 480 0,1 27100 0,1 20120 0,1 17140 0,1 14160 0,1 12180 0,1 10200 0,1 9220 0,1 8240 0,1 7

Datos del fluido.Fluido Aceite térmicoDensidad (g/cm3) 0.86Viscosidad (cp) a 20ºC 64

TABLA 2: Medidas en el Venturi.Caudal (gal/min) Presión máxima (mbar) Presión mínima (mbar)3,2 254,7 245,63,7 284,2 275,24,1 314,5 3044,2 324 314,44,5 346 335,64,9 374,7 3635,2 398,1 385,36,3 490 474Diámetro y áreas de las tuberías en Venturi.Nota: la medida de ¾ de pul se tomó de la tabla de tuberías de acero cedula 40 (pág. 601) y la de 5/8 de pul de la tabla G de dimensiones de tubos de acero (pág. 603) del libro de Mott. Tubería Diámetro (mm) Diámetro (m) Área (m2)¾” cedula 40 20,9 0,0209 3,4306*10-4

5/8” cedula 40 13,39 0,01339 1,4081*10-4

TABLA 3: Medidas en placas de orificio.Caudal (gal/min) Presión entrada (mbar) Presión salida (mbar)4,6 72,7 69,75,0 87,7 83,45,8 122,5 115,56,6 158,6 148,87,0 181,5 170,37,6 220,5 205,68,3 258,6 241,88,5 280,0 262,7

Diámetros y áreas de las tuberías en placas de orificio.Nota: los diámetros de ¾ y 1 pulgada se tomaron del libro de Mott de las tuberías de acero cedula 40 (pág. 601).Tubería Diámetro (mm) Diámetro (m) Área (m2)¾” cedula 40 20,9 0,0209 3,4306*10-4

1” cedula 40 26,6 0,0266 5,5572*10-4

CÁLCULOS.

CÁLCULOS EN EL ROTÁMETRO.

Caudal en el rotámetro.

Q=Volumentiempo

Q=0.01 gal8 seg

Q=0,00125gal / seg

Cambio del sistema americano al sistema internacional.

Q=

0,00125galseg

∗m3

264.2 gal

Q=4,731264194∗10−6m3/seg

CÁLCULOS EN VENTURI

Cambio de presión en el Venturi.

∆ P=Pentrada−Psalida

∆ P=254,7mbar−245,6mbar

∆ P=9.1mbar

∆ P=9.1mbar∗1

¿̄1000mbar

∗100 kPa

¿̄ ¿¿

∆ P=0,91kPa

Velocidades en el Venturi.

v=Q / A

Q=

3,2galmin

∗m3 /s

15850 gal /min

Q=2.018927445∗10−4m3/s

v=

2.018927445∗10−4m3

s3,4306∗10−4m2

v=0,588505638m /s

Reynolds en el Venturi

ℜ=D∗v∗ρμ

ℜ=0,0209m∗0,588505639m /s∗860 kg/m3

0,064 kg /m∗s

ℜ=165,2781305

CV en el Venturi.

ϒ del aceite 8,55Km/m3

Área 2 1,4081*10-4

β (d2/d1) 0,64

Cv=

√1−β4Ao

∗Q

√2g∗(ΔP)γ

Cv1=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000201893

√2(9.8)∗(0,91)8,55

Cv1=0,906

Cv2=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000233438

√2(9.8)∗(0,9)8,55

Cv2=1,053

Cv3=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000258675

√2 (9.8)∗(1,05)8,55

Cv3=1,080

Cv 4=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000264984

√2(9.8)∗(0,96)8,55

Cv 4=1,157

Cv5=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000283912

√2(9.8)∗(1,04 )8,55

Cv5=1,191

Cv6=

√1−0,6441,4081∗10−4

∗0,000309148

√2(9.8)∗(1,17)8,55

Cv6=1,223

Cv7=

√1−0,6441,4081∗10−4

∗0,000328076

√2(9.8)∗(1,28)8,55

Cv7=1,241

Cv8=

√1−0,6441,4081∗10−4

∗0,000397476

√2(9.8)∗(1,6)8,55

Cv8=1,345

CALCULOS EN LA PLACA DE ORIFICIO.

Cambio de presión en la placa de orificio.

∆ P=Pentrada−Psalida

∆ P=72,7mbar−69,7mbar

∆ P=3,0mbar

∆ P=3,0mbar∗1

¿̄1000mbar

∗100 kPa

¿̄ ¿¿

∆ P=0,3kPa

Velocidades en la placa de orificio.

v=Q / A

Q=

4,6 galmin

∗m3/s

15850 gal /min

Q=2,902208202∗10−4m3 /s

v=

2.902208202∗10−4m3

s5,5572∗10−4m2

v=0,522242892m /s

Reynolds en la placa de orificio.

ℜ=D∗v∗ρμ

ℜ=0,0266m∗0,522242892m /s∗860 kg/m3

0,064 kg /m∗s

ℜ=186,6691937

Co en el Venturi.

ϒ del aceite 8,55Km/m3

Área 0 3,4306*10-4

β(d2/d1) 0,7857

Co=

√1−β4Ao

∗Q

√2 g∗(ΔP )γ

Co1=

√1−0,785743,4306∗10−4∗0,000290221

√2(9.8)∗(0,3)8,55

Co1=0,4633

Co2=

√1−0,6441,4081∗10−4

∗0,000315457

√2(9.8)∗(0,43)8,55

Co2=0,7286

Co3=

√1−0,6441,4081∗10−4

∗0,000365931

√2(9.8)∗(0,7)8,55

Co3=0,6624

Co4=

√1−0,6441,4081∗10−4

∗0,000416404

√2(9.8)∗(0,98)8,55

Co4=0,6370

Co5=

√1−0,6441,4081∗10−4

∗0,00044164

√2(9.8)∗(1,12)8,55

Co5=0,6320

Co6=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000479495

√2(9.8)∗(1,49)8,55

Co6=0,5949

Co7=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000523659

√2(9.8)∗(1,68)8,55

Co7=0,6119

Co8=

√1−0,6441,4081∗10−4∗0,000536278

√2(9.8)∗(1,73)8,55

Co8=0,6175

RESULTADOS.

RESULTADOS EN EL ROTÁMETRO

Caudal en el rotámetro.Rotámetro Caudal (gal/s)

40 0,0012560 0,002580 0,003703704

100 0,005120 0,005882353140 0,007142857160 0,008333333180 0,01200 0,011111111240 0,0125260 0,014285714

Caudal en el rotámetro (m3/s)Rotámetro Caudal (m3/s)

40 4,73126E-0660 9,46253E-0680 1,40186E-05

100 1,89251E-05120 2,22648E-05140 2,70358E-05160 3,15418E-05180 3,78501E-05200 4,20557E-05220 4,73126E-05240 5,40716E-05

0 50 100 150 200 250 3000

0.00001

0.00002

0.00003

0.00004

0.00005

0.00006

Caudal vs Rotámetro.

Caudal (m3/s)

Rotámetro.

Caud

al (m

3/s)

Grafico 1

RESULTADOS EN VENTURI

Cambio de la presión.Dato ΔP (mbar) ΔP (kPa)

1 9,1 0,912 9 0,93 10,5 1,054 9,6 0,965 10,4 1,046 11,7 1,177 12,8 1,288 16 1,6

Velocidad en el Venturi (m/s)

Dato Velocidad (m/s)

1 0,588505639

2 0,680459645

3 0,75402285

4 0,772413651

5 0,827586055

6 0,90114926

7 0,956321663

8 1,158620477

Reynolds y Cv en el VenturiDato Reynolds Cv en el Venturi

1 165,2781305 0,9062 191,1028384 1,053

Caudal (m3/s) en el VenturiDato Caudal (m3/s)

1 0,0002018932 0,0002334383 0,0002586754 0,0002649845 0,0002839126 0,0003091487 0,0003280768 0,000397476

3 211,7626047 1,084 216,9275463 1,1575 232,422371 1,1916 253,0821374 1,2237 268,5769621 1,2418 325,3913195 1,345

140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 3400

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Reynolds vs Cv

Cv en el Venturi

Reynolds

Cv e

n el

Ven

turi.

RESULTADOS EN LA PLACA DE ORIFICIO.

Cambio de la presiónDato ΔP (mbar) ΔP (kPa)

1 3 0,32 4,3 0,433 7 0,74 9,8 0,985 11,2 1,126 14,9 1,497 16,8 1,688 17,3 1,73Caudal (m3/s) en la placa de

orificioDato Caudal (m3/s)

1 0,0002902212 0,0003154573 0,0003659314 0,0004164045 0,000441646 0,0004794957 0,0005236598 0,000536278

Velocidad en la placa de orificio (m/s)Dato Velocidad (m/s)

1 0,5222428922 0,5676553183 0,6584801694 0,749305025 0,7947174456 0,8628360837 0,9423078288 0,96501404

Reynolds y Co en la placa de orificioDato Reynolds Co en la placa de orificio

1 186,6691939 0,46332 202,9012977 0,72863 235,3655053 0,66244 267,8297129 0,6375 284,0618168 0,6326 308,4099725 0,59497 336,8161542 0,61198 344,9322061 0,6175

Gráfico 3

100 150 200 250 300 350 4000

0.10.20.30.40.50.60.70.8

Reynolds vs Co de la placa

Co en la placa de orificio

Reynolds

Co d

e la

pla

ca

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Según la curva de calibración del rotámetro grafico 1, podemos darnos cuenta que la posición del flotador es directamente proporcional al caudal. Para nuestro caso, cuando el flotador se encontraba en una posición de 120 y 150 se pudo haber tomado mal el volumen o el tiempo, la primera por pérdida de agua o por la imprecisión de la lectura que arrojaba el balde recolector y la segunda debido a la tardanza de hundir el cronómetro (de pronto no se prendía exactamente cuando el balde entraba al chorro de agua). Es por eso que en estos puntos podemos ver como la gráfica tiende a decaer. Pero esta desviación casi ni se nota ya que la tendencia de los datos tomados nos arroja una gráfica casi lineal, lo que no puede indicar una buena calibración del equipo y por ende las fallas fueron más que todo error humano.

Con respecto a la gráfica de Reynolds vs coeficiente de descarga en Venturi (grafica 2), parece ser que tiende a un comportamiento directamente proporcional, ya que los datos tomados indican esto ya que esta va en aumento y no presenta decadencia en los puntos tomados.

Por último, con respecto a la gráfica de coeficiente del orificio vs Número de Reynolds en la placa de orificio (grafica 3), podemos observar que difiere en el comportamiento de la gráfica caudal vs coeficiente de descarga, ya que la segunda va en aumento a medida que avanza el tiempo mientras que la otra va en decadencia, pero llega a un punto en el que vuelve a aumentar, esto se puede deber al error humano ya que se pudo realizar una lectura errónea ya que el equipo no presento estabilidad en estas tomas de datos.

CONCLUSIONES.

A mayor caudal, el flotador aumentará de posición. A medida que disminuya el número de Reynolds lo hace también el coeficiente de

descarga en la placa de orificio. Se logró conocer los diferentes tipos de medidores de caudal y su respectivo

funcionamiento. A medida que aumenta el número de Reynolds lo hace también el coeficiente de descarga

en el Venturi. Se logró determinar que los equipos utilizados en el laboratorio se encuentran calibrados y

que los errores cometidos fueron más por errores de nosotros que tomamos los datos. El caudal es directamente proporcional con el número de Reynolds. La placa de orificio y el Venturi es un instrumento que sirve de ayuda para el estudio del

comportamiento de los fluidos con respecto a la variación de presión.

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS.

En la industria, el sistema de tuberías se utiliza mucho en intercambiadores de calor, condensadores, sistemas refrigerantes o simplemente en las tuberías para la circulación del vapor

de agua, de líquido refrigerante o como transporte de líquidos y vapores para la elaboración de productos alimenticios.

Los medidores de caudal, se ven aplicados en la industria de alimentos, para el cálculo de rendimientos de materias primas, así como para regular el paso de refrigerantes, y evitar sobrecostos de producción en los procesos de alimentos.

También se ven involucrados ya que se debe calcular estrictamente las cantidades necesarias en un proceso determinado para no ocasionar un daño a una gran producción y así evitar posibles pérdidas.

BIBLIOGRAFIA.

Mott, Robert L. Mecánica de Fluidos, Sexta edición, PEARSON EDUCACION, Mexico, 2006 Maron S., Lando J, "Fisicoquímica Fundamental", 2da ed, Ed. Limusa, México, 1987, pág 70

– 75. Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1ra ed, Ed. Alambra,

Madrid, 1961, pág 70 – 73. Glasstone S. "Tratado de química física", 7ma ed, Ed. Aguilar, España, 1979, pág 449 – 452. Pons Muzzo G., "Fisicoquímica", 5ta edición, Ed. Universo SA, Lima, 1981. CRC, "Handbook of Chemestry and Physics", 847d ed, Ed CRC Press, 2003 – 2004, pag 10 –

141 15 – 23. Norbert Adolph Lange, "Handbook of Chemestry", Ed. Mc Graw Hill, Book Company,1974.

Manual de laboratorio de Operaciones Unitarias I. Miranda Villera Miguel Angel. Universidad de Antioquia.