Objetivos:

Describir dos tipos de medidores de carga variable: El tubo de Venturi y la placa orificio; así mismo describir el medidor tanque de aforo.

Calcular la velocidad de flujo y el flujo volumétrico para medidores de altura variable, además el coeficiente de descarga.

Describir las consideraciones que debemos tener al momento de medir el flujo.

Introducción:

La medición de flujo es una función importante dentro de cualquier organización que emplee fluidos para realizar sus operaciones regulares. Se refiere a la capacidad de medir la velocidad, el flujo volumétrico o el flujo másico de cualquier líquido o gas. (Robert L. Mott – Mecánica de Fluidos).

La medición de flujo es un hecho cotidiano. Si usted está llenando un coche con gasolina (gasolina) o el deseo a saber la cantidad de agua que el aspersor del jardín está consumiendo, se requiere un medidor de flujo. Del mismo modo, es también difícil pensar en un sector de la industria en la que un medidor de flujo de un tipo u otro no juega un papel. El mercado mundial de los caudalímetros se estimó en un valor de $ 2.5 mil millones en 1995, y se espera que crezca de manera constante en el futuro previsible. El valor de producto que está siendo medida por estos medidores es también muy grande. Por ejemplo, sólo en el Reino Unido, se estima que en 1994 el valor del petróleo crudo producido era un valor de $ 15 mil millones.

Superior al 40% de los líquidos, gases y vapores medidos en la industria son todavía realizados usando tipos comunes de flujometros de presión diferencial, estos son, la placa orificio, el tubo de Venturi y la boquilla. La operación de estas boquillas están basadas en la observación hecha por Bernoulli que si una restricción anular es colocada en una tubería, entonces la velocidad del fluido a través de la restricción es incrementado. El incremento de velocidad en la restricción causa que la presión estática disminuya en esta sección, y una presión diferente es creada a través del elemento. La diferencia entre la presión aguas arriba y aguas debajo de esta obstrucción es relacionado a la velocidad del fluido fluyendo a través de la restricción y por lo tanto a través de la tubería. Un flujómetro de presión diferencial consiste básicamente en dos elementos: Una obstrucción, que causa la caída de presión in el flujo (un productor diferencial) y un método de medir la caída de presión a través de esta obstrucción (un productor de presión diferencial).

Una de las mayores ventajas de la placa orificio, tubo de Venturi y la boquilla es que la incertidumbre en la medición puede ser previsto sin la necesidad de calibración, si esto es manufacturado e instalado acorde con uno de los estándares internacionales cubriendo estos dispositivos. Además, este tipo de flujometro de manómetro diferencial es simple, no tiene partes movibles, y es por tanto fiable. La principal desventaja de estos dispositivos son su rango limitado, la permanente caída de presión que ellos producen en la tubería (que puede resultar en un elevado costo de bombeo), y su sensibilidad a efectos de instalación (que puede ser minimizado usando tramos rectas de tubería antes y después del flujometro). Las combinadas ventajas de este tipo de flujometro son todavía bastante difícil de superar, y aunque esto tiene limitaciones, estos han sido bien investigados y pueden ser compensados en la mayoría de circunstancias. A menos que se requiera una alta precisión, o a menos que no se quiera un dispositivo que sea intrusivo, el flujometro diferencial debería ser considerado. (Richard Thorn, 2000).

Tubo de Venturi

El flujo que viene de la tubería principal en la sección 1 se hace acelerar a través de una sección estrecha denominada garganta, donde la presión del fluido disminuye. Después el fluido se expande a través de una sección divergente que alcanza el mismo diámetro de la tubería principal. Medimos la presión en la garganta que llamaremos sección 2 y en la sección 1, esto mediante un manómetro diferencial, de modo que la deflexión h sea una indicación de la diferencia de presión.

Placa orificio

Una placa plana con un agujero de bordes afilados recibe el nombre de placa orificio. Cuando se coloca en forma concéntrica dentro de un tubo, según se ilustra en la figura, hace que el flujo se contraiga de modo repentino conforme se acerca al orificio, y después se expanda al regresar a todo el diámetro del tubo. La corriente que pasa a través del tubo forma una vena contracta y la velocidad rápida del flujo origina una disminución de la presión corriente abajo del orificio. Tomas de presión que están antes y después del orificio permiten la medición de la presión diferencial a través del instrumento la cual se relaciona con el flujo volumétrico a través de la siguiente ecuación.

Se emplea la ecuación de la energía y la de continuidad para obtener la relación con que se calcula el flujo volumétrico. Con el empleo de las secciones 1 y 2 como puntos de referencia en la figura (Tubo de Venturi), se escribe las ecuaciones siguientes:

P1γ

+Z1+V 12

2∗g−hL=

P2γ

+Z2+V 22

2∗g

Q=A1∗V 1=A2∗V 2

Estas ecuaciones solo son válidas para fluidos incompresibles, es decir, líquidos. En el flujo de gases se debe observar con atención especial cómo varía el peso específico, γ , con el cambio de presión.

V 22−V 1

2

2∗g=P1−P2γ

+(Z1−Z2 )−hL

V 22−V 1

2=2∗g∗(P1−P2γ

+ (Z1−Z2 )−hL)

Pero V 22=V 1

2(A1A2

)2

, entonces tenemos:

V 12[( A1A2 )

2

−1]=2∗g∗(P1−P2γ

+(Z1−Z2 )−hL)

V 1=[2∗g∗(P1−P2γ

+(Z1−Z2 )−hL)[( A1A2 )

2

−1]]

0.5

…(1)

En este momento podemos hacer dos simplificaciones. En primer lugar es común que el tubo de Venturi se instale en posición horizontal, por lo que la diferencia de elevación Z1−Z2 es igual a cero. Si hay una diferencia significativa de presión cuando se instales el dispositivo con cierto ángulo respecto de la vertical, debe incluirse en el cálculo. En segundo lugar, el término hL es la perdida de energía del

fluido conforme pasa de la sección 1 a la 2. El valor de hL debe determinarse en forma experimental. Pero es más conveniente modificar la ecuación 1 eliminando hL e introduciendo un coeficiente de descarga C.

V 1=C∗[2∗g∗(P1−P2γ )

[( A1A2 )2

−1]]

0.5

Ahora multiplicando por el área de la sección, obtenemos:

Q=C∗A1∗[2∗g∗(P1−P2γ )

[( A1A2 )2

−1]]

0.5

El coeficiente de descarga representa la relación entre el caudal real y el caudal teórico. De manera que el valor de C siempre es menor a uno.

Materiales usados:

Cronómetro y wincha

Tanque de aforo

Manómetro en U Manómetro diferencial

Descripción del ensayo (Banco de tuberías):

Empezamos abriendo la válvula para que el fluido pase a través del Venturi y pueda medirse la diferencia de presión en le manómetro diferencial.

Una vez medida la diferencia de altura (en cm o pulg) se cierra la válvula y se abre la otra válvula simultáneamente para que el fluido pase a través de la placa orificio y se mida la diferencia de altura.

Mientras se ha estado realizando los pasos anteriores se ha estado midiendo el tiempo que tarda en llenar cierto volumen (1gal, 2gal, etc) en el tanque de aforo.

Una vez terminado el paso anterior, debemos descargar el fluido almacenado en el tanque antes de realizar otra experiencia.

Una vez realizado los pasos anteriores podemos cambiar de caudal, abriendo un poco más la válvula principal y se repiten los pasos anteriores.