UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NUCLEO DE ANZOATEGUI

ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE CIVIL

ASIGNATURA: LABORATORIO DE HIDRAULICA

Profesor: Bachilleres.:

Hilda, Morales Aguilera, Eneida. C.I.: 19.675.832

Preparador: Fernández, José. C.I.: 19.184.791

Rodríguez, Rafael Figuera, Jesús. C.I.:21.380.806

González, José. C.I: 20.375.731

Martínez, Milagros. C.I: 21.721.594

SECCION: 21

GRUPO #6

BARCELONA, DE NOVIEMBRE DE 2012

ÍNDICE

Pág.

Objetivo………………………………………………………………………….………………………… III

Marco Teórico …………………………………………………………….…...……………………….. 04

Materiales y Equipos……..………………………………………………..….……………………... 07

Procedimiento Experimental…………………………..………………………………………… 08

Tabla de Datos y Resultados …………………………………………………………………… 09

Gráficos………………………………………………………………………………………………..….. 10

Conclusiones y Recomendaciones………………..…………………….…….……………… 12

Apéndice:

Hoja de Datos………………………………...……………..…….….………………. 14

Formulas Empleadas……………………..………..…………….………………… 15

Nomenclatura………………………………..…………………….………..……...... 16

Ejemplo de cálculos ………………………..…………………….…………….….... 17

Asignaciones…………………………………..………………….………………….… 19

Esquema del Equipo ……………………….…………………..…………………… 28

Bibliografía………………………………………………………………...………………..…………… 29

II

OBJETIVO

Estudiar el comportamiento de los diferentes medidores de flujo (orificio, rotámetro y venturímetro) y determinar las ecuaciones de gasto

MARCO TEORICO

Medición de Caudal en Corrientes Libres.

La medición del caudal en ríos, arroyos y canales se puede hacer con base

en los siguientes procedimientos:

Procedimientos basados en la geometría de la sección y en la

velocidad media del flujo.

Para aplicar este procedimiento se debe conocer exactamente la

geometría de la sección en la cual se efectuará la medición, lo cual permite

conocer el área A (h) que corresponde a la altura h, y se debe determinar en la

forma más precisa posible:

- El nivel del agua en la sección, h

- La velocidad media del fluido en la sección, Vmedia

Como consecuencia, el caudal Q será igual a: Vmedia * A (h)

Una vez conocidas varias parejas de datos [h - Vmedia], se dice que la

sección ha sido calibrada, y se puede determinar una fórmula empírica de

transformación de nivel en caudal. A partir de este momento, y mientras la

sección no se modifique, se puede estimar el caudal midiendo el nivel del agua

en la sección, y utilizando la ecuación de transformación. Las ecuaciones de

transformación son más precisas para secciones regulares, cuya geometría sea

próxima a la de un rectángulo, un triángulo o un trapecio. Por esa razón, cuando es

compatible con los costos, se introducen en los canales, secciones específicas

para la medición del caudal.

Procedimientos para determinar la velocidad media del agua en un

flujo.

- Mediante el uso de correntómetro;

- Mediante el uso de instrumentos basados en el efecto Doppler;

- Mediciones mediante el tubo de Pitot;

Procedimientos basados en la dilución de trazadores

Para la determinación del caudal, se puede utilizar también un trazador

químico o atómico, para determinar el grado de dilución alcanzado y, por lo tanto,

el volumen en el cual se ha diluido.

Medición del Caudal en Tuberías.

Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos, que pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones. 

Entre los principales medidores que se estudian se citan, en primer lugar, los medidores de presión diferencial. Después se estudian los medidores con accionamiento mecánico, es decir, los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina, para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagnético y los medidores de tipo ultrasónico.

MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL:

Esta clase de medidores presenta una reducción de la sección de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energía cinética y, por consiguiente, su presión tiende a disminuir en una proporción equivalente, de acuerdo con el principio de la conservación de la energía, creando una diferencia de presión estática entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor

La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinación de la cantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo. Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan, habitualmente, caudalímetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conducción

Principales medidores de presión diferencial:

Placas de orificio, toberas, tubos venturi, tubos Pitot, tubos Annubar, codos, medidores de área variable, medidores de placa

En el caso de tuberías, la sección transversal es conocida con la suficiente

precisión. Para la medición de la velocidad se utilizan, entre otros los siguientes

procedimientos:

- Mediante el uso de correntómetro;

- Mediante el uso de instrumentos basados en el efecto Doppler;

- Mediciones mediante el tubo de Pitot;

- Introduciendo un estrangulamiento del tubo, el que puede ser gradual,

mediante una pieza especial denominada Tubo de Venturi; o abrupta,

mediante la inserción de un diafragma.

MATERIALES Y EQUIPOS

Nombre Cantidad Marca Modelo Apreciación Capacidad

Equipo Hidráulico:

- Tanque de Alimentación.

- Motobomba.- Tubería.- Medidor

comercial de caudal.

- Llaves.- Rotámetro.

- Venturímetro.

- Orificio.- Manómetros

diferenciales.

1

1

11

1

11

1

12

-------

-------

EURO-----

KENT

------Fischel Portel

Fabricado en el laboratorio

Dwyer------

-------

-------

PBT20HG ϕ = 1’’

15MM

------FP 1-35-G-10/55

------

------------

-------

-------

--------------

0,0001 mts3

------1mm de H2O

0,1 mm de Hg

0,1 mm de Hg

-------

317, 52 Lt

--------------

99.999,99 mts3

------100 mm de H2O

5 mm de Hg

4 mm de Hg------

Cronómetro 1 Casio ------- 1/100 seg -------

Cilindro graduado

1 USA ------- 10 ml 1000 ml

Cinta métrica 1 EXXEL ------- 1 mm 5 m

Manguera ------- ------- ------- --------------

Agua ------- ------- ------- ------- -------

Jarra Plástica 1 Manaplas ------- ------- 1 Lt

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Se conectó la manguera.

2. Se abrió la válvula.

3. Se lleno el tanque de alimentación a un nivel adecuado.

4. Se coloco el medidor domestico (Rotámetro) en 30 ajustándolo con la

abertura de la llave.

5. Se observo la diferencia de presión en el manómetro Venturi.

6. Se observo la diferencia de presión en la placa de Orificio.

7. Se tomo el tiempo que tardo la aguja del medidor doméstico en dar una

vuelta.

8. Se realizó un aforo, tomando el tiempo en segundos en que duraba recoger

un volumen de agua cualquiera, con la abertura que arrojo el medidor

domestico en 30.

9. Se procedió a realizar el mismo procedimiento 3, 4, 5, 6, 7 y 8 para las

aberturas 40, 50 y 60.

10. Por último, fueron medidas las dimensiones del equipo.

TABLA DE DATOS Y RESULTADOS

AberturaAltura

RotámetroQ

AFORO

QMEDIDOR

DOMÉSTICO

QPROMEDIO

Venturi

Cv

OrificioC

1 40 0,000263 0,0000245 0,000115 0,567 0,541

2 45 0,000206 0,0000301 0,000118 0,524 0,507

3 50 0,000152 0,0000324 0,0000922 0,491 0,432

4 550,000085

30,0000352 0,0000603 0,428 0,383

GRÁFICOS

25 30 35 40 45 50 55 60 650

0.000050.0001

0.000150.0002

0.000250.0003

0.000350.0004

0.00045

Qaforo vs Altura H

30 40 50 60

Altura H

Caud

al Q

GRAFICO N° 1: Caudal de aforo vs Altura

25 30 35 40 45 50 55 60 650

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0.00045

Series2

Altura H

Caud

aL Q

Grafico N° 2: Caudal medidor domestico vs Altura

10 1000

0.000050.0001

0.000150.0002

0.000250.0003

0.000350.0004

0.00045

Qaforo vs Altura H

30 40 50 60

Altura H (m)

Caud

al Q

(m³/

s)

Grafico N° 3: Caudal de aforo vs Altura (log-log)

10 1000

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0.00045

Series2

Altura H (m)

Caud

al Q

(m³/

s)

Grafico N° 4: Caudal medidor domestico vs Altura H (log-log)

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En la práctica se pudo notar que las descargas de agua aumentaban la altura del rotámetro, de igual manera ocurría con los instrumentos de medición venturi y placa de orificio.

De los dos instrumentos de medición el más preciso es el rotámetro y luego el medidor domestico y el menos preciso en cierta medida es la placa de orificio. A mayor altura del rotámetro aumentaban las alturas de los manómetros diferenciales de manera constante.

Se debe hacer mantenimiento a los equipos de laboratorio para que tengan un optimo funcionamiento y reducir posibles errores, igualmente se debe tratar estos con el mayor cuidado posible.

FORMULAS EMPLEADAS

Venturímetro

Q=CV . A2 .√ 2.gR .[( soS1 )−1]1−(

D2

D1)

Orificio

Q=C . A0 .√2.gR .[( S0

S1 )−1]

Cd=Cv .Cc

NOMENCLATURA

Q: Caudal (m3/s).

Cv: Coeficiente de velocidad = Cd, ya que Cc =1. Cv depende del número de

Reynolds (ℜ=VDv )

A1: Área de la sección contraída (m2).

R: Diferencia Manométrica (m de Hg).

S1: Peso específico relativo del fluido (adimensional).

S0: Peso específico relativo del líquido del manómetro (adimensional).

D2: Diámetro de la sección contraída (m).

D1: Diámetro de la sección de entrada (m).

C: Depende del número de Reynolds (ℜ=VDᶹ ).

A0: Área de la sección contraída (m2).

v: Viscosidad cinemática (m2/seg).

EJEMPLO DE CÁLCULOS

Para h=40 y R=0,6’’

R=0,6 pulg . 0,0254m1 pulg

→R=0.0152m

Cálculo del Caudal de Aforo.

Q=Vt→ 1,21 ¿10−3

4,60 seg→Q=2.630 .10−4m3/ seg

Cálculo del Caudal del Medidor Doméstico.

Q=Vt→ 0,0001m3

4,08 seg→Q=2,451∗10−5m3/ seg

Cálculo del Caudal Promedio.

Q=QAFORO+QMEDIDOR

2→

(2,630.10−4+2,451.10−5 )m3

seg2

→Q=1,438.10−4m3/seg

Cálculo del Área de la sección contraída del Tubo Venturi y Orificio.

A=π .D2

4→π .(0,0127m)2

4→A=1,267 .10−4m2

Cálculo del Coeficiente de descarga del Tubo Venturi.

Cv= Q

A1.√ 2. g .R . [( SOS1)−1]

1−(D2

D1 )4

→ 1,438. 10−4

1,267 .10−4 .√ 2.9,81.0,0152 .[( 13,61 )−1]

1−( 0,01270,0 254 )

4

→Cv=¿0,567

Para h=40 y R=0,7’’

R=0,7 pulg . 0,0254m1 pulg

→R=0,0178m

Cálculo del Coeficiente de descarga de la placa Orificio.

C= Q

A0 .√2.g . R .[( SOS1)−1]

→ 1,438.10−4

1,267 .10−4 .√2.9,81 .0,0178. [(13,61 )−1]

→C=0 ,541

ASIGNACIONES

1. Con los datos experimentales trazar la grafica Q en función de H, para

cada uno de los instrumentos de medición.

Ver gráficos Nº 1 y 2.

2. Con los datos experimentales trazar la grafica Q en función de H, para el

tubo Venturi y la placa de Orificio.

Ver gráficos Nº 3 y 4.

3. De la ecuación general de gasto Q = CHn, determinar los valores de C y n

mediante el método de los mínimos cuadrados para los gráficos

anteriores.

Descartar los puntos que no se adapten satisfactoriamente a la curva.

Q = CHn

Se aplica Ln en ambos miembros:

LnQ = LnCHn

LnQ = LnC + nLnH

Se obtiene la ecuación de una recta:

Y = b + mx; donde: b = LnC

x = LnH

m = n

a) Para la gráfica de Q Vs. R del Venturi se obtuvo:

Y = −7,38∗10−5– 7,84∗10−06X

donde:

LnC = −7,38∗10−5

C = e (−7,38∗10−5)

C = 0,99993

n = 7,84∗10−06

Por lo tanto la ecuación queda: Q = 0,99993H 7,84∗10−06

b) Para la gráfica de Q Vs. R del orificio se obtuvo:

Y = −1,43∗10−05 + 6,98∗10−06 X

donde:

LnC = −1,43∗10−05

C = e (−1,43∗10−05)

C = 0,999986

n = 6,98∗10−06

Por lo tanto la ecuación queda: Q = 0,999986 H 6,98∗10−06

4. Investigar sobre los coeficientes de descarga de cada uno de los

instrumentos de medición de flujo (Venturi y Orificio).

El coeficiente de descarga es un factor de corrección utilizado para corregir ecuaciones y expresar el flujo como actual y no como flujo teórico.

En el venturímetro el coeficiente de contracción es igual a la unidad, por lo tanto Cv = Cd.

Cv se determina por el calibrado, midiendo el caudal y la diferencia de presión (manométrica) y despejando Cv, que se lleva a un gráfico en función del Número de Reynolds.

El coeficiente puede ser ligeramente superior a la unidad en los venturímetros que tengan muy bien pulida la superficie interior. Pero esto no significa que no haya pérdidas de energía.

El coeficiente de descarga del tubo Venturi se calcula a partir de la ecuación:

Q=CvA [ 2gR (So/ S1 )−1 ]1 /2/1−(D2−D1 )

4

Los factores de fricción en tubos dependen del número de Reynolds, de la ecuación se puede predecir que al aumentar el Número de Reynolds, Cv aumenta.

Para los orificios se conoce el coeficiente de velocidad que es la relación entre la velocidad real y la velocidad teórica; y el coeficiente de contracción que es la razón entre el área del chorro en la sección contraída y el área del orificio. El coeficiente de caudal o desagüe es el producto de los coeficientes mencionados anteriormente (Cd = Cv * Cc).

En ciertos casos, el Cv debe ser calculado experimentalmente. Varía entre 0,95 y 0,99 para los orificios en aristas vivas o redondeadas.

El coeficiente de descarga del orificio (Cd) de la ecuación, es igual al coeficiente de contracción por el coeficiente de velocidad Cd = Cc * Cv.

Estos coeficientes son calculados directamente mediante el Número de Reynolds en las curvas graficadas por Sotelo en 1982 para un orificio circular. Si la forma del orificio es rectangular en contracción total se podría utilizar su menor dimensión, en lugar del diámetro en el Número de Reynolds.

Coeficiente de Descarga para Orificios y Rotámetros

Coeficiente de Descarga para los Venturímetros

5. Calcular el coeficiente de descarga del tubo Venturi y de la placa

Orificio y comparar con los datos teóricos.

Ver Tabla de Resultados.

6. Investigar acerca de los diferentes dispositivos que se utilizan para

medir caudales en conductos a presión y en conductos a superficies

libres.

Los instrumentos para medir caudales se llaman Caudalímetros, siendo la característica esencial de todos ellos, en contraposición a los instrumentos volumétricos, el ser un instrumento que mide el flujo instantáneo o caudal, que puede variar de un momento a otro. Los caudales se pueden medir en flujo cerrado o tuberías o flujo abierto o canal que circula en un conducto cerrado sale al exterior para su medición.

Caudalímetro De Flujo Cerrado

Los caudalímetros más importantes de esta clase pueden reunirse en dos grupos: Caudalímetros de área de paso constante y caudalímetros de área de paso variable. El primer paso es el más importante: adaptando a un caudalímetro un integrador se obtiene un flujo total o volumen que ha circulado por la tubería.

Caudalímetro De Área De Paso Constante:

Todos los instrumentos de esta clase constan esencialmente de dos elementos deprimógeno, es decir, un elemento que provoca una caída de presión, y un manómetro diferencial, que mide esta última. Característico de estos instrumentos es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión provocada por el elemento deprimógeno y es preciso extraer la raíz cuadrada para medir el caudal.

Tubo Venturi.

El tubo Venturi es un elemento deprimógeno, cuya función es provocar una diferencia de presiones. Siendo el caudal Q una función de dicha diferencia, midiendo ésta se puede calcular el valor de Q, consta de tres partes: Una convergente, otra de sección mínima o garganta, y finalmente otra tercera parte divergente. La sección transversal del Venturi suele ser circular pero puede tener cualquier otra forma. Se mide la diferencia de presiones entre la sección 1, aguas arriba de la parte convergente, y la sección 2, garganta de Venturi, utilizando un solo manómetro diferencial o dos manómetros simples.

Rotámetro.

Es un medidor de sección variable que consiste en un tubo alargado y transparente que lleva en su interior un índice flotador más pesado que el líquido, que se desplaza hacia arriba empujado por el fluido que penetra por el tubo. El tubo se gradúa para poder medir el caudal directamente y lleva unas hendiduras que hacen girar al flotador de manera que este mantenga una posición centrada en el tubo. Cuanto mayor es el caudal, mas alta es la posición que toma el flotador.

Orificio De Aforo.

Se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o que pasa a través de una tubería. Es una abertura, generalmente redonda, a través de la cual fluye el líquido y que puede ser de arista viva o redondeada.

Placa – Orificio.

Consiste en una placa perforada colocada en la tubería. Dos tomas colocadas en la parte anterior y posterior de la placa, captan la presión diferencial, la cual es proporcional al cuadrado del caudal.

Toberas.

Son conductos convergentes en la dirección del flujo que producen un aumento de velocidad y una disminución de la presión. La tobera permite caudales 60% superiores a los de la placa – orificio en las mismas condiciones de servicio. Pueden emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad, si bien estos son abrasivos, pueden afectar la precisión del elemento.

Diafragma.

Es una placa de metal, bronce o acero inoxidable que lleva un orificio circular de diámetro d, concéntrico con el eje de la tubería de diámetro D donde se instala entre dos bridas provistas de las juntas de estanquiedad convenientes. Por su sencillez de construcción son muy usados para medir caudales en líquidos y gases.

Otros Elementos Deprimógenos:

Codos.

Un codo crea en virtud de la fuerza centrífuga una depresión en la parte que mira al interior y una sobrepresión en la parte que mira al exterior. Esta diferencia de presión es función del caudal.

Válvulas.

En las válvulas hidráulicas de cualquier tipo se crea una diferencia de presiones antes y después de la válvula debida a la pérdida de carga que

tiene lugar en la misma. La depresión será mayor tanto sea el grado de cierre de la válvula

En Canales Abiertos

Vertedero.

En el caso de canales abiertos se utilizan vertederos de formas variadas que provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal, entre la zona anterior del mismo y su punto más bajo. Los más empleados son:

- Vertedero rectangular con contracción lateral, apto para medir caudales

de 0 – 60 m/h a 0 – 2000 m/h.

- Vertedero triangular o en V, que consiste en una placa con un corte en V

dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la

horizontal. Es capaz de medir el caudal dentro del intervalo 0 –30 m/h a

0 – 2300 m/h.

- Cipotelli o trapezoidal.

- Vertedero parshall.

- Turbinas: consiste en un rotor que gira al paso del fluido con una

velocidad directamente proporcional al caudal. La turbina está limitada

por la viscosidad del fluido, debido a que se produce un cambio en la

velocidad del perfil del líquido a través de la tubería cuando aumenta la

viscosidad. La precisión es muy elevada, del orden de 0,3%.

Caudalímetros de paso variable:

Los más importantes d este tipo son los rotámetros. Este instrumento consta esencialmente de un tubo cónico vertical abierto por arriba, metal o plástico, en cuyo interior puede moverse libremente arriba y abajo un flotador. Con instrumentos de este tipo puede medirse caudales desde 0,1 dm3/hr hasta 100 m3/hr. El instrumento se adapta a la medición de caudales con líquidos y gases.

Caudalímetros electromagnéticos:

El fundamento es la ley de inducción electromagnética de Faraday: el voltaje inducido entre dos puntos de un conductor que se mueve cortando el ángulo recto de las líneas de flujo de un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor, en este caso el fluido, cuyo caudal se quiere medir. La tubería del caudalímetro, que se embrida con la tubería principal, se introduce en el campo magnético creado por el arrollamiento del campo. Los electrodos montados en ángulo recto a las líneas de fuerza del campo magnético están en contacto con el líquido y se comportan como las escobillas de un generador, por estos sale la corriente inducida, cuya medida nos da una medida de caudal.

Caudalímetros de ultrasonidos:

Los caudalímetros de ultrasonido constan de un trozo de tubería que se embrida en la tubería principal por la que circula el líquido. Está dotado de dos centros emisores de radiaciones ultrasónicas y de dos centros receptores; el centro emisor 1, irradia en la dirección de la velocidad v, del fluido; mientras que en el centro 2 lo hace en sentido contrario. Uno y otro

rayo forma un ángulo β con v. La radiación 1 se transmite a mayor velocidad que la 2.

BIBLIOGRAFIA

BOU GHANNAM, Mounir. (2007). “Laboratorio de Hidráulica”.

Universidad de Oriente. Venezuela.

MOTT, Robert L (1994). Mecánica de Fluidos Aplicada.

Editorial Prentice - hall. Cuarta edición.

http://es.wikipedia.org/wiki/Medici%C3%B3n_del_caudal

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Venturi

http://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3n

http://html.rincondelvago.com/medicion-de-caudales.html