MEDICION DE CAUDAL EN CONDUCTOS CERRADOS

FACULTAD DE INGENIERA, ARQUITECTURA Y URBANISMO

MECNICA DE FLUIDOS IIING. CORONADO ZULOETA OMAR2012CALLE CORDOVA JOSE LUISUSS07/09/2012

MEDICION DE CAUDAL EN CONDUCTOS CERRADOSPractica de laboratorio

MEDICION DE CAUDAL EN TUBERIAS

INTRODUCCIN

En este ensayo de laboratorio vamos a determinar la medida de caudal en conductos cerrados (tuberas) el cual consiste en la determinacin de la cantidad de fluido que atraviesa una seccin por unidad de tiempo. Su estudio es muy importante pues de ello implica los buenos diseos y construcciones hidrulicas, para el abasto de agua de uso domestico, comercial, pblico e industrial.

Los instrumentos con los cuales realizaremos este ensayo sern nuestro banco hidrulico el cual nos servir para ir variando gradualmente nuestro volumen permitindonos calcular los diferentes caudales que se requieran, tambin utilizaremos la probeta y cronometro como instrumentos complementarios al banco hidrulico.

1. OBJETIVOS

Conocer el concepto de caudal y algunas tecnologas para medirlo en conductos cerrados. Conocer el mtodo prctico de medicin de caudales, volumen- tiempo. Conocermsa fondo el tema de medicin de caudales. Observar y analizar los datos obtenidos en el ensayo de laboratorio, comprendiendo mejor la teora vista en clase. Conocer los equipos y calibrarlos para que las mediciones sean correctas.

2. FUNDAMENTO TERICO

CAUDALCantidad de fluido que atraviesa una seccin por unidad de tiempo.

Donde Caudal ([L3T1]; m3/s) Es elrea([L2]; m2) Es lavelocidadlineal promedio. ([LT1]; m/s) MEDIDORES DE CAUDAL EN TUBERASLos fluidos estn presentes en la mayora de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de produccin o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razn que sea, los fluidos estn ah y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber en todo momento cules son las principales caractersticas de los fluidos, que pueden variar mucho de una aplicacin a otra. En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaos y rangos de operacin como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la mxima precisin para la mayor cantidad de aplicaciones.Los medidores a tratar en este artculo, se utilizan para estimar el gasto en determinada seccin de la tubera, y se clasificaran como; medidores volumtricos y msicos, teniendo en cuenta que ambos pueden servir para la misma aplicacin, ya que volumen y masa son proporcional entre s.PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOEl principio de funcionamiento es el fenmeno fsico en que se basa el medidor, y es una caracterstica de diseo. Para los medidores de caudal volumtricos, los principales sistemas sonpresin diferencial, rea variable, velocidad, tensin inducida, desplazamiento positivo y vrtice. Para los msicos se deben destacar el sistema trmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.

PRESIN DIFERENCIALLa formula para el caudal para este tipo de funcionamiento se deduce de la aplicacin del teorema de Bernouilli. Este teorema relaciona la energa cintica, la potencial y la presin de un fluido en diferentes puntos de la vena fluida. Mediante la interposicin de un Diafragma , una Tobera, un tubo Venturi, un tubo Pitot o un tubo Annubar, se puede relacionar el cambio de velocidad y presin que experimenta el fluido con el caudal.DIAFRAGMA: Consiste en una placa con un orificio que se interpone en la tubera. Como resultado de esta obstruccin existe una prdida de carga, que es la que se mide por comparacin con una sonda aguas arriba y otra aguas debajo de la instalacin. Este tipo de medidor es utilizado en tuberas donde se permita una gran prdida de energa. El cambio de rea que se genera al colocar el diafragma, provoca un estrangulamiento de la seccin, lo que da lugar a un cambio de presiones antes y despus del diafragma, cuyo valor determina el gasto en la seccin.Utilizados en tuberas donde se permita una gran prdida de energa para efectuar el aforo.TOBERAS: En este medidor al igual que en el diafragma, se dispone de una toma de presin anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presin diferencial. La tobera permite caudales muy superiores a los que permite el diafragma (del orden de 60% superiores). Se utilizan en el caso de tuberas con dimetros mayores de 30cm.VENTURI:La funcin bsica de este medidor consiste en producir un estrangulamiento en la seccin transversal de la tubera, el cual modifica las presiones, con la medicin de este cambio es posible conocer el gasto que circula por la seccin, el estrangulamiento de esta es muy brusco, pero la ampliacin hasta la seccin original es gradual. Generalmente es una pieza fundida que consta de (1) una porcinaguas arriba, la cual tiene el mismo tamao de la tubera, tieneun revestimiento en bronce y contiene un anillo piezomtricopara medir la presin esttica; (2) en una regin cnica convergente, (3) una garganta cilndrica con un revestimiento en bronce que contiene un anillo piezomtrico y (4) una regin cnica gradualmente divergente que desemboca en una seccin cilndrica del tamao de la tubera. Un manmetro diferencial conecta los dos anillos piezomtricos. El precio de este se dispara, pudiendo llegar a un costo 20 veces superior a un diafragma. Para obtener resultados acertados este medidor debe ser precedido de una tubera recta con una longitud de por lo menos 10 dimetros.

Figura 1.Medidor venturi.AFORADOR DE CODO:Es uno de los medidores de caudal mas simple, las aberturas piezomtricas en el lado interno y externo del codo se conectan a un manmetro diferencial. Debido a la fuerza centrfuga en la curva, la diferencia de presiones est relacionada con el caudal. Una longitud recta de apaciguamiento debe preceder el codo, y para resultados mas exactos el medidor debera calibrarse in situ. Debido a que la mayora de las tuberas tienen un codo este puede utilizarse como medidor. Despus de la calibracin los resultados son tan confiables como los obtenidos con los dispositivos anteriormente mencionados.

PITOT:Mide la velocidad del flujo en un punto del fluido, consta de un hueco alineado con el flujo que se aproxima y est cerrado por uno de sus extremos con un tapn redondo que tiene un pequeo orificio en la lnea central del tubo. El fluido dentro del tubo Pitot es estacionario, en tanto que el que se aproxima fluye alrededor de este. Una partcula de fluido que se mueve a lo largo de la lnea de corriente, que coincide con el eje del tubo Pitot, alcanza el reposo al acercarse a la punta del tubo Pitot (S), debido a que debe dividirse y pasar por ambos lados del tubo. Al entrar momentneamente en reposo, la presin del fluido se eleva a un valorPsel cual se conoce como presin de estancamiento y se relaciona con la velocidad del tubo corriente arriba. La presin del flujo estacionario en el interior del tubo Pitot es igual a la presin de estancamiento del flujo externo con el que est en contacto a travs del pequeo orificio localizado en el punto de estancamientoSdel tubo. Figura 2. Tubo pitot.ANNUBAR: Es una mejora del tubo pitot, y se basa en medir la presin esttica y la total. Con la diferencia que se obtiene la velocidad del fluido, y conociendo la seccin se obtiene el caudal.Los Diafragmas, Toberas, y los tubos venturi se basan en cambiar el perfil de la vena fluida y, por consiguiente, su velocidad y presin; en cambio tanto los tubos Pitot como los Annubar se basan en introducir un sensor dentro de la tubera, intentando que no afecten la vena fluida.

REA VARIABLE

Los medidores de caudal de rea variable se deben instalar verticalmente. Su principio de funcionamiento se basa en un flotador que cambia de posicin dentro de un tubo de rea variable. El rea del tubo es pequea en la parte inferior y va aumentando hasta alcanzar la mayor seccin en la parte superior.El flotador, slido, tiende a bajar debido a la fuerza de gravedad (su peso) y el fluido, que circula de abajo hacia arriba, tiende a levantarlo debido a la fuerza de arrastre de este. Adems de la fuerza de arrastre, existe una fuerza que ejerce el fluido sobre el flotador, que es igual al peso del volumen del fluido que desaloja. El flotador queda en la posicin de equilibrio de fuerzas, indicando en el tubo el caudal del fluido que pasa. El tubo debe estar convenientemente graduado, adems de permitir la visualizacin del flotador. El tubo se puede graduar teniendo en cuenta que la fuerza de arrastre depende de la velocidad del fluido, y una vez se conoce esta, se puede obtener el caudal. Como se puede intuir, la fuerza de arrastre depende de la viscosidad del fluido. La medida puede ser directa al estar la escala graduada en el tubo, pero tambin existen modelos en los que el flotador da una seal en funcin de su posicin, y se puede utilizar esta para extraer la medida en otra escala graduada, o bien para acondicionar la seal y adecuarla para un bus de campo o bien transmitirla a un regulador. El medidor mas representativo de esta clase es el rotmetro, el cual opera con el mecanismo anteriormente descrito.

Figura 3. Rotmetro VelocidadPrincipalmente existen tres elementos para caudalmetros que basan su principio de funcionamiento en la velocidad del fluido: Los vertederos (para canales abiertos), las turbinas y las sondas ultrasnicas. Los primeros, en este artculo no sern de mucho inters, los medidores de caudal tipo turbina se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudaldel fluido que pasa. Para obtener la velocidad de giro del rotor se pueden utilizar dos tcnicas. La primera de ellas consiste en la variacin de la reluctancia que experimenta un circuito magntico exterior al paso de cada una de las palas del rotor. Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.Los cicloidales consisten en dos lbulos engranados entre s que giran en direcciones opuestas y desplazando un volumen fijo de fluido en cada revolucin. El sistema birrotor consta de dos rotores sin contacto mecnico entre s que giran sincronizados gracias a un acoplamiento con engranajes externo a la cmara por donde pasa el fluido (donde estn los dos rotores). El desgaste mecnico es mnimo por no existir contacto entre los dos rotores y porque estos estn equilibrados esttica y dinmicamente. Adems, se apoyan en rodamientos de bola de acero inoxidable. Su aplicacin principal es la medicin de caudales de productos petrolferos. Los medidores ovales estn formados por dos ruedas ovales que engranan entre s. Su movimiento de giro es debido a la presin diferencial creada por el fluido. Coriolis:El teorema de Coriolis dice que la aceleracin absoluta de un mvil es la resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis. Los medidores de caudal msico basados en este teorema son de dos tipos. El primer tipo consta de un tubo en forma deW,el cual se hace vibrar perpendicularmente al sentido del desplazamiento del flujo. Esta vibracin controlada crea una fuerza de aceleracin en la tubera de entrada del fluido y una fuerza de deceleracin en lade salida, con lo que se genera un par que provoca la torsin del tubo, que es proporcional a la masa instantnea del fluido circulante. El segundo tipo est formado por dos tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma controladaa su frecuencia de resonancia. Con los sensores adecuados (generalmente pticos) se detecta la fase de la vibracin y con ella el caudal masa, ya que es proporcional. Cuando el caudal masa es cero, la diferencia de fase tambin es nula. La gran ventaja de los caudalmetros basados en la aceleracin de coriolis es que son inmunes a prcticamente todo: presin (tanto nominalcomo posibles pulsaciones), temperatura (excepto variaciones bruscas), densidad, viscosidad, perfil del flujo, y flujos multifase (con slidos en suspensin).Un posible problema es la vibracin, que si no est controlada y no acta en forma correcta sobrelos elementos preparados para tal fin, se puede transmitir a los tubos y, consecuentemente, someterlos a un proceso de fatiga que conducira a finalizar con un deterioro prematuro.

Trmico:Los medidores trmicos de caudal usan dos tcnicas para la determinacin del caudal msico. La primera es la elevacin de temperatura que experimenta el fluido en su paso por un cuerpo caliente y la segunda es la prdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en un fluido. Sea cual sea la tcnica que utilicen los caudalmetros trmicos, se basan en la general insensibilidad de los fluidos a la variacin de su calor especfico en funcin de la presin y de la temperatura, es decir, el calor especfico de los fluidos se puede considerar prcticamente independiente de la presin y de la temperatura.Segn la primera ley de la termodinmica, la prdida de calor del fluido (q) es proporcional al caudal msico (m), al calor especfico (cp) y al salto trmico (DT):q = m * cp*DTSi se conoce el fluido, se sabe su calor especfico, el salto trmico se puede medir mediante sensores y el calor cedido es el aportado externamente para poder realizar la medicin. Solo queda el caudal msico como incgnita y por tanto, se puede calcular.Actualmente en el mercado existen una gran variedad de medidores los cuales tienen diversos principios de funcionamiento, como tambin diversos tipos de usos por lo tanto de acuerdo a las necesidades se seleccionara determinado medidor.

Figura 4.Diversos medidores.A continuacin se mostrar una lista dealgunos medidores que actualmente se pueden conseguir en el mercado, a excepcin de los medidores tradicionales, mencionados anteriormente.

Sensor de caudal con ruedas de paleta: se utiliza cuando los datos sobre el caudal deben trasmitirse como salida de impulsos. este sensor contiene un transductor que trasmite una seal de 0-100Hz. La seal de la salida es linealmente proporcional al caudal. Este medidor funciona en medios como: el agua y lquidos de baja viscosidad

Figura 5. Sensor de caudal con ruedas de paleta.Sensor de caudal de turbina: La alta precisin es la caracterstica principal de este sensor. Mide con precisin el caudal de los lquidos transparentes sobre una amplia gama de caudales. Este medidor puede instalarse en cualquier orientacin deseada siempre y cuando se tenga cuidado de mantener el medidor lleno de lquido. El movimiento del lquido a travs del medidor provoca la rotacin de la turbina. Un sensor de proximidad externo detecta la rotacin de la turbina sondeando el movimiento de las partculas. La rotacin de la turbina es lineal con respecto al caudal. La pantalla y mdulo de control convierten la seal del impulso en un nmero visualizado, este medidor presenta una tolerancia en cuanto a viscosidad a la de fluidos similares al agua.

Figura 6. Sensor de caudal de turbina.Medidor de caudal con fuelles de paleta: este tipo de disposicin es ideal para utilizarse en aplicaciones donde la suciedad y los contaminantes de granos slidos son una gran preocupacin. Este dispositivo opera de la siguiente forma: el caudal provoca que la paleta (1) sea desviada en la direccin del caudal contra la fuerza de un resorte (2). Un fuelle (3) fabricado de bronce (o de preferencia acero inoxidable), asla en forma hermtica el medio de la seccin de medicin. El movimiento de la paleta (1) se transmite directamente a un indicador (4) , este indica el caudal o la trasmite a un condicionador de seales. Un microinterruptor (6) y una lmpara indicadora (7) se activan cuando se alcanza el punto de referencia. La lmpara se acciona cuando el caudal est por debajo del punto de referencia. Las unidades estn disponibles para instalacin en lnea de tuberas ya sea con extremos roscados o bridados.

Figura 7. Medidor de caudal con fuelles de paleta.

Medidor de caudal magntico: es utilizado en el anlisis de lquidos difciles y fangos, este medidor es un tubo hueco forrado con varios elctrodos perifricos metlicos. Puesto que los elctrodos sobresalen de manera insignificante en las paredes de la tubera del medidor, el medidor est casi totalmente libre en su interior, esto ayuda a hacer que este medidor sea adecuado para lquidos que varan desde lodos de alcantarilla hasta una gran variedad de aplicaciones qumicas.

Figura 8. Medidor de caudal magntico.Sensor de caudal trmico compacto: utiliza el principio calorimtrico para monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no viscosos. La velocidad del caudal se transmite por medio de una salida mientras que un interruptor opcional proporciona la funcin de alarma. La capacidad de transmisin se hace posible gracias al alto grado de estabilidad de temperatura proporcionado por su diseo. La integracin de las funciones de calefaccin y medicin permite a la sonda estar estructurada en una superficie sencilla, continua y libre de salientes. La ausencia de salientes evita que los contaminantes se acumulen en la punta de la sonda.

Figura 9.Medidor de caudal trmico compacto.

Medidor de caudal bridado: este dispositivo funciona con el principio de rea variable, es ideal para aplicaciones difciles en las que se requiera una operacin a alta presin o una prdida de baja presin. Su diseo est disponible en acero. En la configuracin estndar es un medidor puramente mecnico.

Figura 10. Medidor de caudal bridado.

Medidor de caudal de presin diferencial: estos medidores estn diseados para aplicaciones en ambientes difciles, la falta de sensibilidad ante campos magnticos y la capacidad de resistir grandes presiones excesivas sin daos, se combinan para hacer de este un instrumento resistente. Es de fcil uso, fcil lectura y fcil mantenimiento, se puede utilizar en tuberas horizontales o verticales. Este dispositivo determina el caudal mediante la medicin de la prdida de presin a travs de un orificio calibrado.

Figura 11. Medidor de caudal de presin diferencial.

Medidor de caudal de masa electrnico: mide caudales de gas, en contraste con la mayora de otros dispositivos de dosificacin de caudal volumtrico, este medidor no necesita correccin de presin o temperatura. Esto hace que la unidad sea ideal para una amplia variedad de aplicaciones de caudal de gas, incluyendo el control de procesos generales, el caudal en sistemas de vaco, la prueba de fugas, y la calibracin del caudal. Se encuentra disponible en aluminio o acero inoxidable, con o sin una pantalla digital.

Figura 12. Medidor de caudal de masa electrnico.

Totalizador mecnico:este se puede ser muy funcional en las aplicaciones de dosificacin que impliquen agua con temperaturas de 35F a 194F . el indicador estilo contador con rotacin de 360 y un mecanismo acoplado magnticamente ofrece una solucin confiable. Se utiliza para control de dosificacin en planta, monitoreo de filtros, sistemas de irrigacin, maquinaria industrial.

Figura 13. Totalizador mecnico.

3. EQUIPO El equipo consiste en: El banco mvil hidrulico, que se utiliza para mantener una amplia gama de variedad de mdulos, en este caso nuestro banco mvil hidrulico ser nuestro reservorio de agua, adems que cuenta con una vlvula que hace que el caudal aumente o disminuya (controlador de caudal).

Adems utilizaremos como siempre las probetas para medir el volumen y el cronometro para medir el tiempo.

4. PROCEDIMIENTO4.1 Procedimiento para calcular caudales para volmenes bajos :

1. Primero conectamos nuestra manguera (la cual representara nuestra tubera de seccin constante) al banco hidrulico en la parte donde esta la vlvula por donde saldr el agua.

2. Luego presionamos el botn rojo para prender el banco hidrulico

3. ahora procedemos a girar gradualmente hacia la derecha como se muestra en la figura la flecha amarilla la vlvula que regula el volumen de agua

4. ahora tomaremos la manguera como se muestra en la figura y sincronizado con nuestro cronometro empezaremos a llenar nuestra probeta , luego al mismo tiempo dejar de llenar y parar el cronometro

5. luego tomaremos los datos obtenidos : un volumen a un determinado tiempo

6. ahora en nuestro ensayo hemos tomado cinco muestras por cada giro de la vlvula que regula el volumen de salida.

7. por ltimo repetir los pasos 4, 5 y 6 tres veces, tomando en cuenta que debemos ir girando la vlvula (paso3) para que valla cambiando y aumentando gradualmente el volumen de agua.

4.2 Procedimiento para calcular caudales para volmenes ms altos 1. colocamos este dispositivo que sirve como un disipador de agua, lo colocamos por donde saldr nuestro volumen de agua

Dispositivo disipador de agua Colocaremos el dispositivo

Quedndonos de este modo

2. ahora presionamos el botn rojo para prender el banco hidrulico

3. ahora alzamos este elemento y automticamente se empieza a almacenar el agua y empieza a subir en el manmetro.

Encerrado en el crculo esta el elemento este es el manmetro

4. ahora cuando el nivel de aguan en el manmetro llegue a cero empezaremos a hacer nuestras mediciones cada 5 litros, esto quiero decir que cada 5 litros giraremos gradualmente nuestra vlvula por donde sale el volumen de agua.

5. Luego empezaremos a tomar los tiempos sincronizados para cada 5 litros de agua, este mtodo lo realizaremos tres veces.

6. DATOS OBTENIDOS DEL LABORATORIO

Datos para el clculo de caudal para volmenes bajos:1Lectura2Lecura3Lectura4Lectura5Lectura

T = 3.15 sV =175 mlT = 3.87 sV = 240 mlT = 4.04 sV = 230 mlT = 5.67 sV = 340 mlT = 5.66 sV = 320 ml

T = 3.26 sV = 370 mlT = 2.71 sV = 320 mlT = 4.32 sV = 480 mlT = 4.31 sV = 510 mlT = 3.12 sV = 390 ml

T = 2 sV = 350 mlT = 3.93 sV = 730 mlT = 3.1 sV = 530 mlT = 3.65 sV = 750 mlT = 2.55 sV = 440 ml

Procedimiento:CAUDALES BAJOS

tiempo (seg)volumen(ml)Q (m3/s)

3.151750.0000556

3.872400.0000620

caudal 14.042300.0000569

5.673400.0000600

5.663200.0000565

Promedio Caudal 10.0000582

3.263700.00001135

2.713200.00001181

caudal 24.324800.00001111

4.315100.00001183

3.123900.00001250

Promedio Caudal 20.00001172

23500.00001750

3.937300.00001858

caudal 33.15300.00001710

3.657500.00002055

2.554400.00001725

Promedio Caudal 30.00001819

Datos para el clculo de volmenes altos:1Lectura2Lecura3Lectura4Lectura5 Lectura

T = 10.04sV = 5 lT = 9.40sV = 5 lT = 10.65sV = 5 lT = 11.37sV = 5 lT = 11.55sV = 5 l

T = 9.40sV = 5 lT = 9.01 sV = 5 lT = 10.25sV = 5 lT =10.72 sV = 5 lT = 10.01sV = 5 l

T = 5.44 sV = 5lT = 4.30 sV = 5 lT = 5.01 sV = 5 lT = 5.19 sV = 5 lT = 5.14 sV = 5 l

ProcedimientoCAUDALES ALTOS ( cada 5 litros)

tiempo (seg) Q (m3/s)

10.040.0004980

9.400.0005319

caudal 110.650.0004695

11.370.0004398

11.550.0004329

Promedio Caudal 10.0004722

9.400.0005319

9.010.0005549

caudal 210.250.0004878

10.720.0004664

10.010.0004995

Promedio Caudal 20.0005081

5.440.0009191

4.300.0011628

caudal 35.010.0009980

5.190.0009634

5.140.0009728

Promedio Caudal 30.00100322

7. CONCLUSIONES

Este mtodo expuesto permite medir los caudales en forma muy sencilla tomando volumen con un determinado tiempo. Tambin podemos observar que cuando hayamos los promedios de los caudales reducimos los errores humanos que se producen en laboratorio. Los promedios de los caudales son valores ms exactos y con menos grado de error. El estudiante o ingeniero que conozca los fundamentos bsicos y aplicaciones que se presentan en este trabajo debe estar en capacidad para escoger el tipo de medidor que se adapte a las necesidades que el usuario requiere. MECNICA DE FLUIDOS II Pgina 1