INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE FLUJO DE FLUIDOS

“MEDIDORES DE FLUJO”

NOMBRE PROFESOR: JOAQUINA OREA LARA

EQUIPO 3

INTEGRANTES:CORONEL VENTOLERO MANUEL ISAAC

GINES SANDOVAL THANIAMALDONADO NAVARRETE MA. FERNANDA

PAREDES CASIMIRO JULIO CESARRAFAEL AGUILAR BECPZANI SARON

GRUPO: 4IM2

TURNO: MATUTINO

FECHA DE ENTREGA: MARZO 21, 2012

OBJETIVO

CONOCER EL FUNCIONAMIENTO DE LOS MEDIDORES DE FLUJO CONOCER EL EFECTO QUE TIENEN LOS ACCESORIOS EN LA PRESION DE NUESTRO FLUIDO

EN ESTUDIO IDENTIFICAR LOS USOS QUE TIENEN ESTOS INSTRUMENTOS DE MEDICION EN LA

INDUSTRIA

INTRODUCCIÓN MEDIDORES DE FLUJO

La selección eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento práctico de la tecnología del medidor, además de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medir.Cuando la medida del caudal se utiliza con el propósito de facturar un consumo, deberá ser lo más precisa posible, teniendo en cuenta el valor económico del fluido que pasa a través del medidor, y la legislación obligatoria aplicable en cada caso.

TUBO VENTURI

El Tubo Venturi lo crea el físico e inventor italiano Giovanni Battista Venturi (1746–1822), fue profesor en Módena y Pavía, en Paris y Berna, ciudades donde vivió mucho tiempo, estudió teorías que se relacionan con el calor, óptica e hidráulica, en éste último campo descubre el tubo que lleva su nombre, “tubo venturi”. Según él, el tubo es un dispositivo para medir el gasto del fluido, es decir, la cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una diferencia de presión que existe entre el lugar por donde entra la corriente y el punto, calibrable de mínima sección del tubo, en donde su parte ancha final actúa como difusor. Definición“El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, consta de una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro ó instrumento registrador en la garganta se mide la caída de presión y hace posible calcular el caudal instantáneo”.

Este elemento primario de medida se inserta en la tubería como un tramo de la misma, se instala en todo tipo de tuberías mediante bridas de conexión adecuadas. El Venturi tiene una sección de entrada de diámetro igual al diámetro de conducción de la tubería a la cual se conecta. La sección de entrada conduce hacia un cono de convergencia angular fija, terminando en una garganta de un diámetro más reducido, se fabrica exactamente según las dimensiones que establece su cálculo, la garganta se comunica con un cono de salida o de descarga con divergencia angular fija, cuyo diámetro final es habitualmente igual al de entrada. La sección de entrada está provista de tomas de presión que acaban en un racord anular, cuyo fin es el de uniformar la presión de entrada. Es en este punto donde se conecta a la toma de alta presión del transmisor la conexión de la toma de baja presión se realiza en la garganta mediante un dispositivo similar, la diferencia entre ambas presiones sirve para realizar la determinación del caudal. El tubo Venturi se fabrica con materiales diversos según la aplicación de destino, el material más empleado es acero al

carbono, también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión. El tubo Venturi ofrece ventajas con respecto a otros captadores, como son:

1. Menor pérdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la tobera de flujo, gracias a los conos de entrada y salida.

2. Medición de caudales superiores a un 60% a los obtenidos por el diafragma para la misma presión diferencial e igual diámetro de tubería.

3. El Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos primarios.4. Facilidad para la medición de flujo de líquidos con sólidos en suspensión.

El tubo venturi consiste en una reducción de la tubería, esto se logra con un tramo recto, un cono de entrada, la garganta y el cono de salida.

El tubo venturi se recomienda en casos donde el flujo es grande y que se requiera una baja caída de presión, o bien, el fluido sea altamente viscoso, se utiliza donde se requiera el máximo de exactitud, en la medición de fluidos altamente viscosos, y cuando se necesite una mínima caída de presión permanente, el tubo venturi es difícil de construir y tiene un costo más alto que otros elementos primarios, su diseño consiste en una sección recta de entrada del mismo diámetro que la tubería, ahí se conecta la toma de alta presión, después contiene una sección cónica convergente que va disminuyendo poco a poco y transversalmente la corriente del fluido, se aumenta la velocidad al disminuir la presión, el diseño además consiste de una garganta cilíndrica, se coloca ahí la toma de baja presión, en esta área el flujo no aumenta ni disminuye, el tubo Venturi termina con un cono divergente de recuperación, aquí la velocidad disminuye y se recupera la presión, recupera hasta un 98% de presión para una relación beta del 0.75.Generalmente los tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro, de 12" en adelante, ahí las placas de orificio producen pérdidas de carga importantes y no se consigue una buena medida, el venturi se utiliza en conductores de aire ó humos con conductos no cilíndricos, en tuberías de cemento grandes, para conducción de agua, etc. Según la naturaleza de los fluidos de medida, se requieren modificaciones en la construcción del tubo Venturi como son: eliminación de los anillos de ecualización, inclusión de registros de limpieza, instalación de purgas, etc. En el corte transversal se aprecian los anillos circulares que rodean el tubo Venturi en los puntos de medida. Esos anillos huecos conectan el interior del tubo mediante orificios en número de cuatro ó más, espaciados uniformemente por la periferia. El fluido, al circular, pasa por estos orificios y por el anillo donde se encuentran los racores que se conectan al transmisor.

El efecto Venturi consiste en que la corriente de un fluido dentro de un conducto cerrado disminuye la presión del fluido al aumentar la velocidad cuando pasa por una zona de sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido contenido en este segundo conducto.

TUBO DE PITOT

El Tubo de Pitot es simplemente un tubo hueco de sección circular de pequeño diámetro, doblado en L y cuyo eje se alinea con la dirección de la velocidad del flujo en el punto de medida. El Tubo

de Pitot se conecta a un transductor de presión como por ejemplo un manómetro de columna. La presión leída en este transductor corresponde a la presión del punto E de la Figura, que se denomina presión de estancamiento o presión total del flujo en el punto 0. La presión de estancamiento de una partícula de fluido en un determinado punto es la presión que alcanzaría la partícula si fuera frenada hasta el reposo sin pérdida alguna de energía. Si el Tubo de Pitot se combina con un tubo o abertura piezométrica que permita medir la presión estática en el punto 0, será posible relacionar la velocidad con la diferencia de las presiones medidas. La combinación del tubo de Pitot y un tubo piezométrico se denomina tubo de Pitot estático o Pitot-Prandtl. El tubo de Pitot estático permite medir de forma directa la altura de energía cinética o también denominada presión dinámica.

Si se considera un Tubo de Pitot como el de la Figura que se encuentra alineado con el eje de un conducto por el que circula un fluido, si la alineación es correcta y el tubo está bien construido, la velocidad que se está midiendo es la correspondiente al eje de la tubería. Es conocido que en el flujo completamente desarrollado en un conducto la velocidad en el eje no coincide con la velocidad media, siendo relación muy grande en un flujo laminar (la del eje es el doble de la media) y menor en flujo turbulento (son muy parecidas).

PLACAS DE ORIFICO

La placa de orificio es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico ó 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, el espesor del disco depende del tamaño de la tubería y la temperatura de operación, en la cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presión, se coloca perpendicular a la tubería y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ángulo de 900 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chaflán de un ángulo de 45 grados por el lado de baja presión, el biselado afilado del orificio es muy importante, es prácticamente la única línea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, ó

distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición, además, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su identificación, el lado de entrada, el número de serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presión alta y baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos.

Placa de orificio, concéntrica, excéntrica y segmentada. Con las placas de orificio se producen las mayores perdidas 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 perdida total de presión sin recuperación posterior. Se mide la máxima diferencial posible con recuperación de presión posterior y, con tomas en las bridas se mide una diferencial muy cerca de la máxima, también con recuperación de presión posterior.La exacta localización de tomas de presión antes de la placa de orificio carece relativamente de importancia, ya que la presión en esa sección es bastante constante. En todas las relaciones de diámetros D/d comerciales. Desde ½ D antes de la placa en adelante hasta la placa, la presión aumenta gradualmente en una apreciable magnitud en relaciones d/D arriba de 0.5; debajo de ese valor la diferencia de presiones es despreciable. Pero sí en la toma de alta presión, la localización no es de mayor importancia, si lo es en la toma de baja presión, ya que existe una región muy inestable después de la vena contracta que debe evitarse; es ésta la razón por la que se recomienda colocarlas para tuberías a distancias menores de 2 pulgadas de las tomas de placa. La estabilidad se restaura a 8 diámetros después de la placa pero en este punto las presiones se afectan por una rugosidad anormal en la tubería. Desventajas en el uso de la placa de orificio

1. 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 errático 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. Cuando el flujo pasa a través de la placa de orificio, disminuye su valor hasta que alcanza una área mínima que se conoce con el nombre de “vena contracta”, en las columnas sombreadas de la

figura siguiente, el flujo llega con una presión estática que al pasar por el orificio, las pérdidas de energía de presión se traducen en aumentos de velocidad, en el punto de la vena contracta se obtiene el menor valor de presión que se traduce en un aumento de velocidad, en ese punto se obtiene la mayor velocidad.

Más delante de la vena contracta, la presión se incrementa, se genera una perdida de presión constante que ya no se recupera, la diferencia de presión que ocasiona la placa de orificio permite calcular el caudal, el cual es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión diferencial.

Existen dos tipos de placas de orificio segmentadas; fijas y ajustables. Orificio segmentado fijo:Se usa para medir flujos pequeños y es una combinación de orificio excéntrico y una parte segmentada, la parte concéntrica se diseña para obtener un diámetro del 98% del diámetro interior de la tubería, se usa para en la medición de flujos como son las pulpas y pastas, no es recomendable para líquidos de alta viscosidad. Orificio segmentado ajustable:En este caso la relación entre el diámetro interior y exterior (0.25-0.85), se modifica por medio de un segmento móvil, el cuerpo de la placa de orificio se fabrica con bridas de conexión similares a la de una válvula, las guías son de acero al carbón, el material del segmento es de acero inoxidable, se utiliza en tuberías con variaciones de flujo del 10:1 bajo variaciones de presión y temperatura considerables. La relación entre el flujo y la caída de presión es:

DIAGRAMA DEL EQUIPO

FE

FE

PDI

z

M

WS

FI

LG

VCH

VCH

VCH

VCH

VCH

VA VA VA VA VA

VA VA VA VA

PDI

FTFI

Medidores de Presión

MaldonadoNavarreteMa.FernandaCoronelVentolero J.Manuel I.Gines Sandoval TaniaRafael Aguilar SaronBecpzaniParedesCasimiro Julio César

Grupo: 4IM2

Cisterna

DESARROLLO EXPERIMENTALPLACA DE ORIFICIO

abrir la valvula VC4 de alimntacion al medidor del flujo tipo Placa de Orificio.

cerrar la valvula VC3 de alimentacion al tubo Venturi.

Abrir valvula central del manometro tipo"U" , que esta

conectado a la Placa de Orificio, para igualar presiones

y evitar arrastre de liquido manometrico.

Abrir parcialmente valvula VG2 para rgular el rotamentro a 80%

Purgar el indicador de Presion Diferencial que se encuentra

conectado a la placa de orificio, abriendo

simultaneamente las valvulas del manometro tipo "u".

cerrar las valvuas del manometro tipo "U" unidas a la linea de operacion.

Cerrar la valvula central del manometro tipo "U". A diferentes lecturas del rotamentro registrar la

diferencia de alturas entre los meniscos del manometro .

comenzando con el 80% de rotamentro. Cerrar valvulas

VG2,VC5,VB1 y VC4. Continuar con flujo magnetico.

MEDIDOR MAGNÉTICO

Cerrar la valvula de aguja VA9 del equipo de columnas empacadas.

Una vez terminadas las lecturas, apagar indicador de flujo. Para bomba BC1. Cerrar las valvulas abiertas.

Registrar en la tabla de datos experimentales la lectura observada en el voltimetro. Repetir paso 45 para los gastor restantes del rotametro.

45)Accionar interruptor de seguridad del medidor magnetico. Poner en servicio interruptor del indicador de flujo.

Abrir la valvula de alimentacion al mdidor magnetico VG7. Accionar la bomba BC1. Abrir ligramente valvula VG8 hasta tener un gasto de 13 l/min en el rotamentro 2.

Abrir valvula de alimentacion al medidor de flujo tipo tubo venturi VC3 o la Placa de Orificio VC4. segun lo desee.

Abrir la valvula de aguja VA9 del equipo de columnas empacadas.

TUBO VENTURI

Cerrar valvula VC2 de alimentacion al rotamentro 1. abrir valvula de alimentacion al medidor de flujo tipo tubo Venturi VC3.

Abrir valvulas VB1 y VC5. Accionar bombas BC1. Abrir valvulas central del manometro tipo "u" para igualar presiones y evitar arrastre de liquido manometrico que se encuentra conectado al tubo venturi

Abrir parcialmente valvla VG2 para regular el gasto de rotamentro al 80% . cerrar las valvulas del manometro tipo "U" unidas a la linea de operacion.

Cerrar la valvula central del manometro tipo "U". a diferentes lecturas del rotamentro , medir y registrar la diferencia de alturas entre los meniscos del rotametro, comenzando con el 80% del rotamentro.

Una vez terminadas las lecturas, continuar con procedimiento de operacin de la Placa de orificio.

DATOS EXPERIMENTALES DE LOS MEDIDORES DE FLUJOCORRIDA ROTAMETRO

ΔZTANQUE=0.02mTUBO VENTURI TUBO PLACA ORIFICIO

%R ΘSeg.

% R ΔHm

% R ΔHm

1 50 4.34 50 50 22.92 50 4.04 60 29.5 60 31.23 60 3031 70 31.5 70 35.74 60 2.56 80 805 60 2.206 60 1.487 60 1.138 70 38

Los cuadros vacios están asi porque no se experimento en esas condiciones.

CÁLCULOS

Rotámetro

Determinando el gasto volumétrico a partir de:

Gv H 2O=V tanqueθ

Gv H 2O=0.785 (D 2tanque )(∆Ztanque )

θ

Donde:

Gv H2O= gasto volumétrico del agua [=]L/minV tanque = volumen del tanque de alimentación de agua [=] m3

Θ= Tiempo transcurrido en desplazarse el nivel del tanque de alimentación 2 cm∆Z= Desplazamiento del nivel = 0.02 mD tanque= diámetro interior del tanque = 1.21 m

Para 100%

Gv H 2O=0.785 (1.21m2 )(0.02m)

91 seg=0.000237 m

3

segx1000L1m3

x60 seg1min

Gv H 2O=14.22 Lmin

Para 90%

Gv H 2O=0.785 (1.21m2 )(0.02m)

60.1 seg=0.000383 m

3

segx1000 L1m3

x60 seg1min

Gv H 2O=22.984 Lmin

Para 100%

Gv H 2O=0.785 (1.21m2 )(0.02m)

49.9 seg=0.00046 m

3

segx1000L1m3

x60 seg1min

Gv H 2O=27.664 Lmin

Tubo Venturi

Calculando el coeficiente de descarga a partir de:

Cv=Gv (1−β¿¿4 )1/2

Av ((2x 9.81m

seg2 ) (0.03m )(1590 Kgm3−100 Kgm3 )1000

Kgm3

)1 /2

¿

β=d gvD t

Av=π d2gv4

Donde:

d gv= Diametro de la garganta del tubo venturi = 0.0192 mD t= Diametro interior de la tubería = 0.0508 mAv= Area de paso del tubo venturi [=] m2

Cv= Coeficiente de descarga dek tubo Venturi [=] adimensionalβ= relación del diámetro de la garganta del tubo Venturi entre el diámetro interior de la tubería [=] adiemnsional.g= aceleración de la gravedad∆H= lectura del manometro colocado al tubo venturi [=] mρm= densidad del fluido manométrico, en este caso es CCl4 [=] Kg/m3

ρ H2O= densidad del agua [=]Kg/m3

Calculando β

β=0.0192m0.0508m

=0.37795

Calculando Av

Av=π (0.0192)2

4=0.00029m2

Para 80%

Cv=0.000237

m3

seg(1−0.37795¿¿ 4)

12

Av ((2x 9.81mseg2 ) (0.03m )(1590 Kgm3−100 Kgm3 )

1000Kgm3

)12

=1.3725¿

Placa de orificio

Calculando el coeficiente de equilibrio a partir de:

Co=G v0

A0( (2 g ) (∆ H )(ρm−ρH 2O)ρH 2O )

1 /2

A0=¿

π ∙d02

4=3.976078 x10−4m2¿

Donde:

d0= Diametro del orificio de la placa = 0.0225 mA0= Area del orificio de la placa [=] m2

C0= Coeficiente de descarga de la placa de orificio [=] adimensionalGv0= gasto volumétrico de la placa de orificio [=] m3/segg = aceleración de la gravedad∆H = lectura del manometro colocado a la placa de orificio. [=] mρm= densidad del fluido manométrico, en este caso es CCl4 [=] Kg/m3

ρ H2O= densidad del agua [=]Kg/m3

Para 80%

Co=0.000237

m3

seg

A0( (2x 9.81mseg2 )(0.015m )(1590 Kgm3 −100 Kgm3 )

1000Kgm3

)1/2

=1.43

Tabla de resultados:

Gastos volumétricos del H2O

%R Gv H2O (L/min)100 14.2290 22.98480 27.664

Coeficientes de descarga de los medidores de flujo.

%R Gv agua (m3/seg) Cv Co80 0.000237 1.3725 1.43

Conclusiones

Coronel Ventolero Manuel

En esta práctica se observaron las caídas de presión para un tubo venturi y una placa de orificio, y se comprobó de manera experimental que la presión de un liquido de ve afectada de manera directa por el área transversal de la tubería por donde este fluye, siento en el caso del tubo venturi una diferencia de presión un poco mayor al de la placa de orificio, lo cual nos indica que un tubo venturi incrementa de manera considerable la presión de nuestro fluido al atravesar por él, aun mas que una placa de orificio.

Paredes Casimiro Julio César

En esta práctica se identifico algunos tipos de medidores de flujo y presión que suelen ser los más comunes en la industria, también se pudo observar que se utilizan diferentes sustancias en los manómetros para representar una gran caída de presión o una menor y que estos se pueden tetracloruro de carbono o mercurio. En la practica se comprobó que cuando existe un accesorio en el paso que va el fluido este tiende a tener una caída de presión debido a que se somete el flujo a una reducción o a una ampliación de tubo y que estas caídas de presión son muy utilizadas en la industria para darle energía cinética a nuestro fluido y así no tener tanta perdida de energía en la tubería.

Maldonado Navarrete María Fernanda

Con la experimentación de esta práctica pudimos comprobar que en un tubo Venturi, así como en un tubo placa de orificio, las caídas de presión son cuantitativas gracias a los manómetros conectados a las válvulas de aguja y pueden ser modificadas de acuerdo a lo establecido en el rotámetro. Por lo tanto, pude comprobar que la presión de los líquidos es afectada directamente por el área transversal de la tubería por la que fluye. Por ejemplo: la diferencia de presión del tubo venturi fue levemente mayor que la del tubo con placa de orificio. De lo anterior, puedo concluir que cuando el fluido pasa por el tubo venturi la presión del mismo aumenta notablemente.

Gines Sandoval Tania

Con esta practica pudimos observar las caídas de presión que sufren los fluidos al fluir por diversas tuberías. Por lo tanto, sabemos ahora que la presión de los líquidos se ve afectada por el área transversal de su tubería. Pudimos medir las diferencias de presión gracias a los manómetros con

tetracloruro de carbono y así observar realmente la caída. Todo lo anterior tiene gran uso en la industria para así poder conservar la energía en los sistemas.

Rafael Aguilar Saron Becpzani

Durante la práctica pudimos conocer cuáles son los factores que influyen para la caída de presión en tuberías donde fluyen los fluidos, y comprendimos que la caída de presión solo ocurre en tuberías en las que el fluido esta en movimiento o hay circulación por lo tanto en los fluidos en reposo no hay cambios o caídas de presión. Sabemos también que hay caídas de presión primarias y secundarias, y que entre otras causas ocurren por rozamiento en las paredes de la tubería debido a el diámetro interior, la velocidad, la densidad y viscosidad del fluido, o el cambio de dirección del flujo entre otros factores .También conocimos el funcionamiento y la manera de calibrar el rotámetro y la escala en la que esta graduado.