FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIN
LABORATORIO DE FSICA DE FLUIDOS
DEPARTAMENTO DE FSICA-UNIVERSIDAD DEL CAUCAFACULTAD DE CIENCIAS
NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIN LABORATORIO DE FSICA DE
FLUIDOS1
PRCTICA 9
TUBO VNTURI
9.1. OBJETIVO
1. Conocer varios sistemas de medicin de caudal en conductos a
presin.
2. Determinar las ecuaciones de patronamiento de distintos
dispositivos para medicin de caudal en conductos a presin.
9.2. GENERALIDADES
En las tuberas a presin es generalmente necesario conocer el
caudal que est pasando en un momento dado. Con base en principios
hidrulicos muy sencillos se construyen dispositivos que debidamente
patronados e instalados, pueden medir el caudal con bastante
precisin.
9.3. REFERENTES TERICOS
TIPOS DE MEDIDORES
Entre los medidores ms comnmente usados estn los siguientes:
Medidores de hlice. Medidores de rea variable. Medidores
diferenciales.
MEDIDORES DIFERENCIALES
Estos dispositivos funcionan con base en la reduccin de la
presin que se presenta entre dos puntos del aparato, la cual es
directamente proporcional al caudal. Para lograr una mayor
sensibilidad, se construyen de tal forma que la diferencia de
presiones sea grande. La diferencia de presin se obtiene con la
reduccin de la seccin de flujo, que puede ser brusca o gradual, tal
que aumente notoriamente la velocidad. Los tipos ms usados en
tuberas son los diafragmas, las toberas y los tubos Vnturi. Su
diferencia radica en la forma de la reduccin de la seccin de
flujo.
En los tubos Vnturi la contraccin es gradual formada por conos
convergentes y divergentes, con distancia mayor que en las toberas
por lo que la prdida de energa es menor. Figura 1.
Figura 1. Medidor diferencial, tipo Vnturi. Modificada de
Vennard & Street, 1985.
Constan de tres partes principales, como se aprecia en la Figura
1: 1. La entrada de forma cnica convergente, entre secciones (1) y
(2). 2. La garganta de forma cilndrica. 3. El difusor de forma
cnica divergente.
Estos medidores se especifican por el dimetro de la entrada D y
por el de su garganta d. Generalmente se fabrican con relaciones
d/D entre 0.25 y 0.75, siendo ms exactos cuanto menor sea el valor
de la relacin. Para minimizar las prdidas de carga, Vennard &
Street (1985), recomienda utilizar un ngulo convergente de 20 y un
ngulo divergente entre 5- 7, como se observa en la Figura IV.3. Los
tubos Venturi se fabrican en varios materiales y de dos tipos. a)
Tubos Venturi Cortos: longitud entre 3.5D y 5D. b) Tubos Venturi
Largos: longitud entre 5D y 12D
Entre la entrada y la salida se produce una prdida de carga la
cual es proporcional directamente a la diferencia de presiones
entre la entrada y la garganta e inversamente a la relacin d/D. La
prdida de carga es mayor en tubos cortos que en los largos de igual
relacin d/D. Para un mismo tipo de tubo, la prdida es mayor cuanto
menor sea el dimetro de su garganta. Entre los diferentes
dispositivos de medicin de caudal en tuberas, los tubos Venturi,
por tener una contraccin gradual del flujo, son los que menos
prdidas de carga generan; sin embargo, son los ms costosos para su
construccin e instalacin.
ECUACIN DEL CAUDAL
Se aplica la ecuacin de energa, sin considerar las prdidas de
carga, entre una seccin (1) a la entrada del venturmetro y otra
seccin (2) en la garganta del venturmetro, como se aprecia en la
Figura 1.
: cota del eje de la seccin (1) y (2) respectivamente.
: Cabeza de presin en la seccin (1) y (2) respectivamente.
V1 y V2: velocidad en la seccin (1) y (2) respectivamente.
Para una tubera horizontal:
: cota piezomtrica en la seccin (1): cota piezomtrica en la
seccin (1)
: diferencia de presiones entre la entrada y la garganta.
Por continuidad:
y despejando para V2 se tiene la velocidad terica pues no se han
considerado las prdidas de energa
El caudal terico ser:
Las expresiones anteriores fueron derivadas para el caso de un
fluido ideal, sin friccin; sin embargo, debido a los efectos de
friccin y por la consecuente prdida de carga, la velocidad real ser
menor y por ende el caudal real ser tambin menor. Para considerar
este efecto se utiliza el coeficiente de velocidad Cv, determinado
experimentalmente, as la velocidad real en la seccin (2) es:
El coeficiente de velocidad Cv depende del nmero de Reynolds en
la contraccin (seccin 2) y de la relacin entre los dimetros en la
tubera y la garganta, como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Coeficiente de velocidad Cv para un medidor Vnturi.
Modificado de Vennard & Street, 1985.
El caudal real estar dado por QR = VRA2, considerando que por la
forma del Venturmetro el efecto de la contraccin es mnimo. Por lo
tanto:
en donde:
se tiene finalmente una expresin para el caudal real:
En general, el coeficiente de descarga Cd depende de:
1. El grado de estrangulamiento A1/A2 = (d/D)2, en donde D es el
dimetro de la seccin (1) y d es dimetro de la garganta en la seccin
(2). 2. La viscosidad del fluido. 3. La rugosidad de las paredes
internas del tubo. 4. Del tipo de medidor Vnturi.
Este coeficiente se determina experimentalmente y es
caracterstico de cada medidor el cual para valores altos del nmero
de Reynolds tiende a ser constante.
Ecuacin de patronamiento del medidor:
9.4. PRCTICA DEL LABORATORIO
9.4.1. CONSIDERACIONES ANTES DE COMENZAR
Cada equipo debe seguir las siguientes recomendaciones para
asegurar el buen desempeo en la actividad prctica. Realice la
experiencia cuidando que las influencias externas (Viento,
vibraciones, polvo, orden del equipo) no interfiera en la mesa con
el equilibrio del sistema de fuerzas. Atienda las recomendaciones
del profesor.
9.4.2. EXPERIMENTO A REALIZAR
En la Figura 3 se presenta el equipo en que se realizar la
prctica, el cual consta de las siguientes partes:
Figura 3. Aparato para el estudio de medidores de caudal.
Lea completa y detenidamente esta gua; asegrese de comprenderla
y contar con todos los elementos necesarios para la realizacin de
la prctica antes de llevar a cabo cualquier otra labor.
Instalar en el Banco Hidrulico el aparato con medidores de
caudal. Establecer las dimensiones de la instalacin de cada
medidor. Abrir las vlvulas de control de flujo tanto del Banco
Hidrulico como del aparato. Sacar el aire de las tuberas
principales y de los piezmetros abriendo y cerrando lentamente la
vlvula de control del aparato y la vlvula de control de aire.
Cerrar la vlvula de aire una vez conseguido lo anterior. Ubicar el
termmetro en un sitio adecuado. Abrir completamente la vlvula de
control del aparato y mediante el cierre o abertura de la vlvula de
control del Banco Hidrulico, establecer el mximo nivel posible en
los piezmetros. Aforar el caudal por el mtodo volumtrico y hacer la
lectura del caudal que indique el rotmetro calibrado. Comparar los
resultados de los dos aforos. Para el mismo caudal, hacer las
lecturas piezometricas h1, h2, h3 del Vnturi. Disminuir el caudal
cerrando la vlvula de control del Banco Hidrulico, afrelo
nuevamente y haga las lecturas piezomtricas correspondientes.
Repetir el proceso para el mayor nmero de caudales posible. Leer la
temperatura del agua que marca el termmetro. Anote los resultados
experimentales.
9.5. PROCESAMIENTO DE DATOS
1. Calcule las secciones del tubo antes y en el estrechamiento,
A1 y A2.2. Registre los datos obtenidos en la tabla:No. Obsh1
(cm)h2 (cm)T (s)V (cm3)Qp (cm3/s)
1
2
3
4
5
3. Para cada caudal determine la velocidad real en la garganta y
la velocidad terica 4. Calcule las presiones y velocidades en el
estrechamiento y antes de l.No. ObsP1 (N/m2)P2 (N/m2)V1
(m/s)V2(m/s)
5. Calcule el caudal prctico medio 6. Para cada observacin
determine el caudal terico.
1PRCTICA 9 TUBO DE VENTURI