UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA
MECANICA LABORATORIO DE ENERGIA
Experiencia de laboratorio: Medicin de presiones
Curso: Laboratorio de ingeniera mecnica I MN412C
Supervisado por: Ing. Arvalo
Unidad ejecutora: Barrientos Campos, Renzo J 20050158A
Legua Cceres, Alexis 20101222C
Fecha de realizacin: 07 / 04 / 2014
2014
Resumen tcnicoEl presente informe
ndice
1. Introduccin........................ pg. 42. Objetivos pg. 53.
Fundamento terico. pg. 64. Experiencias4.1. Calibracin del manmetro
Bourdon con el calibrador de peso muerto.4.1.1. Equipos e
instrumentos.... pg. 124.1.2. Procedimiento. pg. 124.1.3. Clculos y
resultados. pg. 144.2. Medicin de la Presin de Velocidad en un
ventilador 4.2.1. Equipos e instrumentos. pg. 164.2.2.
Procedimiento. pg. 164.2.3. Clculos y resultados.. pg. 18 4.3.
Medicin de la presin en el ventilador mediante el uso del manmetro
inclinado 4.3.1. Equipos e instrumentos. pg. 20 4.3.2.
Procedimiento. pg. 20 4.3.3. Clculos y resultados. pg. 225.
Conclusiones. pg. 236. Recomendaciones pg. 247. Anexos pg. 258.
Referencia bibliogrfica pg. 26
1. Introduccin
En los diversos campos de aplicacin de la ingeniera, algunas
veces se requiere de un fluido para su estudio, por lo que debemos
de conocer sus propiedades, sean temperatura, presin, etc. Para
ello se desarrollan instrumentos que nos puedan indicar su valor.
En el caso de la presin uno de los ms utilizados es el manmetro de
Bourbon.
En cualquier centro de labor que trabajan con fluidos siempre se
dispone de un manmetro de Bourdon u otros como los de columna
lquida, por lo que debemos estar familiarizados con este tipo de
instrumentos, as como con sus defectos. Como por ejemplo la
descalibracin.
En el presente informe se detalla el funcionamiento de un
calibrador de peso muerto as como la medicin de presiones de
fluidos en movimiento, con esto se trata de comprender los diversos
tipos de medicin de presin.
2. Objetivos
Calibrar un manmetro Bourdon utilizando un calibrador de peso
muerto.
Obtener la curva de calibracin del manmetro Bourdon.
Medir la presin de un flujo (aire) a lo largo de un ducto.
Obtener la grfica de la distribucin de velocidades
Aprender a utilizar el tubo de Pitot y manmetros de columna
liquida
usar el manmetro ms indicado para el caso que se requiera.
3. Fundamento terico
PRINCIPALES METODOS DE MEDICION DE PRESIN
MANMETROS DE COLUMNA LQUIDA Los manmetros de columna liquida se
utilizan de manera general para medir presin es o diferencias de
presin inferiores a 1 0 Kg/cm, especialmente cuando la medicin debe
realizarse con una precisin del orden del 1%. En estos
dispositivos, la presin se determina equilibrando la presin con una
columna liquida de peso especfico conocido. Se mide la altura de la
columna y se obtiene la presin por cmputo. Un manmetro de columna
liquida muy comn es el de tubo en "U" (figura 2.2). En esta figura,
son iguales las presin es en a y en c. La presin a es prcticamente
igual a la presin que se mide si la parte del tubo por encima de a
esta llena de aire o algn otro gas. (La presin ejercida por una
columna de aire de un metro de altura es de aproximadamente 0.001
Kg/cm, en las condiciones corrientes, y, por lo tanto,
despreciable.) La presin que se mide resulta as equilibrada por la
columna liquida de altura h y la presin atmosfrica existente en el
punto b. La fuerza ejercida por una columna liquida sobre
cualquiera de sus secciones trasversales es igual al producto de la
altura de la columna por encima de la seccin considerada
multiplicada por el rea de la seccin trasversal y por el peso
especfico del lquido. Pero la presin es fuerza por unidad de rea.
Luego, la presin en el punto c ejercida por la columna liquida de
altura h es igual al producto del peso especfico del lquido por la
altura de la columna. (La presin es, por lo tanto, independiente
del rea de la seccin trasversal.) El producto del peso especfico
del lquido por la altura h es igual a la presin manomtrica que se
determina (esto es, la presin en exceso sobre la presin
atmosfrica). Si la presin que se mide es menor que la atmosfrica,
el lquido subir por la rama de la derecha del tubo. Luego, el
producto del peso especfico del lquido por la altura de la columna
es igual a la presin atmosfrica menos la presin medida. Hablase,
entonces, de succi6n o vaco. EI manmetro de tubo en "U" puede
usarse, tambin para medir diferencias de presin, conectando las dos
ramas del tubo a las lneas de presin del caso. El producto del peso
especfico del lquido por la altura de la columna es igual a la
diferencia de presin que se mide.
La figura 2.3 ilustra un tipo comercial de manmetro de tubo en
"U". Hay muchas variantes, resultado de los intentos para construir
un instrumento de fcil lectura, fcil de limpiar y fcil de reparar.
EI manmetro de tubo en "U" presenta una importante desventaja. Si
hay fluctuaciones importantes en la presin medida, resulta difcil
obtener la presin verdadera, puesto que hay que leer dos alturas
simultaneas. Un intento para eliminar esta dificultad consiste en
el empleo de una escala mvil. El extremo inferior de la escala se
alinea con la elevacin media de la ms baja de las dos columnas
liquidas y se lee, entonces, la escala de acuerdo con la elevacin
media de la otra columna. Aunque este mtodo reporta alguna mejora,
la variacin de la presin media entre el momento en que se ajusta la
posicin de la escala y el momento en que se hace la lectura, puede
ser considerable, de modo que la lectura es errnea. (Adems, no
siempre se dispone de espacio suficiente para el necesario
movimiento de la escala.
MEDICION DE PRESIN ES PEQUEAS Cuando la presin medida es muy
pequea, por ejemplo, menos de 100 mm de la columna liquida, no es
posible utilizar ni el manmetro en "U" ni el manmetro de una sola
rama para obtener una medicin de precisin. Hay tres tipos de
instrumentos de uso comn para la medicin de pequeas presin es:1. El
manmetro de columna liquida inclinado.2. El manmetro de dos
fluidos.3. El micromanmetro. En esta figura, la presin en a esta
equilibrada por la columna liquida h y la presin atmosfrica. Pero,
en lugar de medir la distancia h (difcil de medir con precisin), se
mide la distancia h', mucho ms grande. EI conocimiento del ngulo de
inclinacin del tubo permite calcular h. En .muchos casos, la escala
del manmetro inclinado toma ya en cuenta el ngulo y la presin se
mide directamente en mm. Debe observarse que el rea trasversal del
tubo tiene que ser muy pequea en comparacin con la del depsito
La figura 2.7 ilustra un simple manmetro inclinado de tubo en
"U". La figura 2.8 ilustra el principio del manmetro inclinado de
una sola rama El principio fundamental del manmetro inclinado de
una .sola rama aplicase tambin al manmetro inclinado de tubo en
"U". Dado que el manmetro de tubo en "U" puede usarse con
diferentes grados de inclinacin, es necesario medir el ngulo y
calcular la presin verdadera. La figura 2.9 ilustra un manmetro
inclinado comercial de una rama. Dado que estos instrumentos se
utilizan a menudo para medir el "tiro", se los denomina
generalmente manmetros de tiro (1). Con el objeto de disminuir las
variaciones de altura del lquido en el depsito, el dimetro del tubo
inclinado se hace por lo general bastante pequeo. Dada la
imposibilidad de construir tubos de dimetro perfecta mente
uniforme, los ASME Power Test Codes recomiendan que los manmetros
de tiro se calibren individualmente La figura 2.10 ilustra un
manmetro de columna de dos fluidos. Si la seccin trasversal del
tubo es despreciable en comparacin con las de las botellas A y B,
los niveles lquidos no varan apreciablemente en estas al variar la
presin. En este caso, la lectura obtenida es la que se obtendra en
un manmetro de un solo fluido que usara un lquido de peso especfico
igual a la diferencia entre los pesos especficos de los dos lquidos
utilizados en el manmetro de dos fluidos. Si el rea trasversal de
los tubos no es despreciable, puede utilizarse la relacin que sigue
para obtener la presin verdadera:
Donde: Presin diferencial, mm de agua Diferencia observada entre
las alturas liquidasPeso especfico del lquido ms liviano Peso
especfico del lquido ms pesado Relacin de la seccin .del tubo a la
seccin de las botellas.
Los lquidos elegidos no deben mezclarse entre ellos. Se ha usado
agua para el lquido inferior y aceite o querosene coloreado para el
lquido superior. A causa de la dificultad para obtener tubos de
dimetro uniforme, los manmetros de dos lquidos deben ser
individualmente calibrados para las mediciones de precisin.
La figura 2.11 ilustra un tipo de micro manmetro, el de
contactos elctricos. El ajuste a cero y la lectura de presin se
obtienen, ambos, por el contacto hecho con el lquido. Para la
medicin se utiliza un calibre de dial tipo Ames, graduado en
fracciones de mm Las dos ramas del manmetro deben ser de dimetros
iguales.
En la figura 2.12 se muestra una forma del micro manmetro de
puntas. Las lecturas se hacen cuando las puntas rompen la
superficie liquida. Este tipo de micro manmetro se utiliza a menudo
para calibrar los otros tipos de micro manmetros.
En la figura 2.13 ilustrase un tercer tipo de micro manmetro. En
este caso, el tornillo micromtrico se ajusta de manera de retornar
el menisco lquido en el tubo inclinado a una marca preestablecida.
Debido a la alta relacin de dimetros, no hay variacin apreciable en
el nivel lquido del depsito. A menos que se sepa que la presin por
medir es constante, no se justifica el uso de un micro manmetro.
Hay dispositivos amortiguadores que amortiguan las fluctuaciones de
presin no obstante, a menos que las fluctuaciones originales sean
muy pequeas, puede no ser posible amortiguarlas lo suficiente como
para que se permita el uso de un micro manmetro.
MANMETRO DE BOURDON Y DE DIAFRAGMA Los tubos metlicos curvos de
seccin aproximadamente elptica tienen tendencia a enderezarse
cuando se los somete a una presin interna (ver figura 2.l4). Si uno
de los extremos del tubo esta fijo, el otro extremo experimenta un
desplazamiento definido que depende de la magnitud de la presin
aplicada. Si 'la presin interna del tubo es menor que la externa,
el tubo tendr tendencia a curvarse an ms. Dado que la presin que
rodea al tubo es por lo general la presin atmosfrica, el tubo de
Bourdon determina la presin manomtrica. El tubo en si resiste al
movimiento, y, si no excede su lmite elstico, retorna a la forma
original al desaparecer la presin. Este tubo constituye la base de
los llamados manmetros de Bourdon, ilustrados en la figura 2.15.
Por medio de un sistema de bielas ajustables, el movimiento del
extremo libre del tubo se trasmite a un conjunto de cremallera y
pistn que hace girar una aguja sobre una esfera indicadora.
Los manmetros de Bourdon se utilizan mucho para los alcances de
presin que no pueden ser medidos convenientemente por medio de
columnas liquidas, digamos desde 0,5 Kg/cm2 hasta centenares de
Kg/cm2 cuando no se requiere una precisin muy grande, los manmetros
de Bourdon se sustituyen a los manmetros de columna en razn de su
mayor conveniencia. Los manmetros de Bourdon se clasifican a menudo
como manmetros (propiamente dichos, para presiones mayores que la
atmosfrica), vacuo metros (para presiones menores que la
atmosfrica) y manmetros compuestos (para vaco y pequeas presiones).
Los manmetros de presin se calibran ordinariamente en Kg/cm2 aunque
para aplicaciones especiales pueden llevar otras graduaciones, por
ejemplo, mm de Hg. o metros de agua. Los vacumetros se gradan por
lo comn en mm de Hg. La parte de vaco de los manmetros compuestos
se grada en mm de Hg, la parte de presin, en Kg/ cm2 La precisin de
los manmetros de Bourdon -depende, naturalmente, del cuidado que se
aplique para su diseo y fabricacin. Aunque algunos de estos
manmetros tienen una precisin del 1% de la lectura de plena escala,
la mayora no ofrecen una precisin mejor que 1% del alcance de plena
escala. Los ASME Power Test Codes especifican que el manmetro de
Bourdon debe elegirse de modo que la presin media por medir est
comprendida entre un tercio y dos tercios de la escala. Se
establece tambin que "es muy conveniente que todas las lecturas
estn comprendidas entre un cuarto y tres cuartos de la lectura de
plena escala". Debe observarse, tambin, que la mayora de los
manmetros tienen clavijas, en la esfera, que impiden que la aguja
adopte una posicin libre a la presin atmosfrica. Por lo tanto, la
lectura cero de estos manmetros suele estar algo por encima de la
presin atmosfrica. Debido a la alteracin de las propiedades
elsticas del tubo con el tiempo, y a la imposibilidad de obtener
una perfecta uniformidad de los tubos en el proceso de produccin,
es necesario prever la posibilidad de ajustar el sistema de bielas.
Por la misma razn, y por el desgaste, los manmetros de Bourdon
deben ser re calibrados frecuentemente. En algunos instrumentos, se
usan dos tubos de Bourdon, de tal modo que la aguja registra el
movimiento diferencial de ambos. Un fabricante ha sustituido una
leva de ranura en espiral y un seguidor al mecanismo de cremallera
y pin, con la intencin de reducir al mnimo el juego entre el
extremo del tubo y la aguja. El manmetro de diafragma se utiliza en
cierta medida para la .medicin de presiones relativamente bajas. En
esencia, el manmetro de diafragma consiste en una cmara cerrada
superiormente por medio de un diafragma. Al aplicar una presin a la
cmara, el centro del diafragma se desplaza en una magnitud
proporcional a la magnitud de la presin aplicada. El movimiento del
diafragma se trasmite a la aguja del instrumento por medio de un
mecanismo adecuado. Similar en principio al manmetro de diafragma,
es el manmetro de fuelle. Esta constituido este por dos ms
diafragmas o por un cilindro de paredes corrugadas. Los manmetros
de diafragma o de fuelle se utilizan a menudo para determinar la
presin atmosfrica en este caso, se los denomina barmetros
aneroides.
4. Experiencias
4.1. Calibracin del manmetro Bourdon con el calibrador de peso
muerto.
4.1.1. Equipos e instrumentos 1 Calibrador de peso muerto 1
llave mixta de 1 Manmetro tipo Bourdon
4.1.2. Procedimiento En la experiencia se desarroll la
calibracin de un manmetro de Bourdon, mediante un instrumento en el
que se agregan pesos equivalentes a ciertas presiones que ya estn
determinadas (ver figura 1).
Para esto es necesario tener en claro:
a. Verificar que el plano de trabajo este nivelado, esto se
logra haciendo que la burbuja del indicador se coloque entre las
marcas.b. Se colocan pesas en un cilindro hidrulico y con un juego
de vlvula (vlvula principal) se regula de tal forma que la marca
del cilindro quede en la marca de referencia, de esa forma la
presin marcada por las pesas, se muestra en el manmetro (ver
detalle en la figura 2).
c. Las vlvulas reguladoras se encargan de regular la vlvula
principal. Si la vlvula principal se abre mucho (llega a su tope),
entonces una de ella se encarga de cortar el paso del aceite del
cilindro hidrulico (del que viene de la vlvula principal) y la otra
se encarga de dar el paso al aceite que viene del manmetro a la
vlvula principal, con esto, la vlvula se puede cerrar, luego se le
cambia el orden de apertura de las vlvulas reguladoras y el proceso
para la toma de muestra contina.d. Para tomar lectura de la presin
se debe esperar a que el mbolo se encuentre a la altura del tope
colocado cercano a l (figura3).
Fig3. Lectura del manmetro de Bourdon
e. Se colocan las pesas de presin equivalente de manera sucesiva
para tomar los datos de presin ascendente (figura4).
Fig4. Pesas sobre el mbolo
f. Despus de colocar varias pesas se procede a sacarlas de
manera descendente, y se toma los datos de presin descendente.
4.1.3. Clculos y resultados
LECTURA PATRONpsiMANOMETRO DE BOURDON (psi)
ASCENDENTEDESCENDENTE
304245
708282
100112112
130142141
160173171
190195201
220230230
250260260
280295289
310320319
340346351
370370379
400414407
430440432
460470470
490498497
500509505
Con las lecturas ascendentes y descendentes, calculamos el valor
promedio, la correccin y el error porcentual.Esta operacin
realizaremos para una sola medida (100psi), siguiendo lo mismo para
los dems datos. P promedio
P promedio = (40+40)/2P promedio = 40 psi Error
Error porcentual
* 100%De esta forma se calculan los dems valores para cada
lectura medida en el patrn, as entonces, tenemos:LECTURA PATRON
(PESAS) psiMANOMETRO DE BOURDON (psi)LECTURA PROMEDIO(psi)ERROR
ERROR PORCENTUAL(%)
ASCENDENTEDESCENDENTE
30424543.513.545.00
708282821217.14
1001121121121212.00
130142141141.511.58.85
160173171172127.50
19019520119884.21
220230230230104.55
250260260260104.00
280295289292124.29
310320319319.59.53.06
340346351348.58.52.50
370370379374.54.51.22
400414407410.510.52.63
43044043243661.40
460470470470102.17
490498497497.57.51.53
50050950550771.40
4.2. Medicin de la Presin de Velocidad en un ventilador
4.2.1. Equipos e instrumentos Ventilador de seccin transversal
constante. Regla graduada Manmetro Diferencial
4.2.2. Procedimientoa. Primero nos fijamos su tubo de Pitot est
bien instalado las tuberas y que este al nivel de la regla graduada
(que este horizontal).
Fig.5 regla graduada
b. Luego posicionamos la regla graduada del manmetro en "O"
(longitud diametral hacemos coincidir el menisco de agua con la
marca. c. Procedemos a encender el ventilador y regulamos con el
tacmetro la rpm que necesitamos.
Fig.6 ventilador
d. Luego tomamos las medias que nos da el manmetro
diferencial
Fig.7 manmetro diferencial
e. Estas medidas corresponden a la diferencia entre la presin
total y la presin esttica, hechas en diferente putos a lo largo del
dimetro del ducto.f. As, con criterio vamos avanzando a lo largo de
todo el dimetro y tomando las presiones en los puntos que
consideramos importantes
Esquema de circuito de ensayo
4.2.3. Clculos y resultadosEjemplo de clculo:Sea Pv=0.068 pul de
aguaConvertimos a pascales mediante la equivalencia 1 pul H2O =
248.84 PaHechas las conversiones de pul de H2O a Pa se tiene:
Por ejemplo: para la primera medicin en el tubo de Pitot.
Entonces V= 5,267m/s y as sucesivamente para todos los datos,
una vez hallados las velocidades se pueden hacer las grficas
correspondientes a cada RPMDe los datos obtenidos (Pv y D) a 1733
RPM calculamos la velocidad del aire
Para 1733 RPMDimetroPvPvVelocidad
D(cm)(Pulg de H2O)(Pa)(m/s)
100,06816,9215,267
130,097524,2626,307
150,105526,2536,560
200,10425,8796,513
24,50,124,8846,387
290,11528,6176,849
340,12029,8616,997
360,11027,3726,699
390,07217,9165,420
4.3. Medicin de la presin en el ventilador mediante el uso del
manmetro inclinado 4.3.1. Equipos e instrumentos Manmetro inclinado
Ventilador de seccin transversal constante
4.3.2. Procedimientoi. a. Como paso inicial nivelamos el
manmetro empleando el nivel de burbuja que posee.
Fig.9 manmetro inclinado
b. Procedemos a graduar en cero el nivel de la columna de fluido
manomtrico.c. Tomamos las lecturas en el ducto de succin del
ventilador empleando la vlvula para presiones negativas.
Fig.9 lectura del manmetro
d. Tomamos las lecturas en el ducto de descarga del ventilador
empleando la vlvula para presiones positivas.
Fig.10 zona de descarga del ventilador
4.3.3. Clculos y resultados
Equivalencia . (*)Donde para condiciones del laboratorio a T=20C
g=9.81 m/s2
=998.3 kg/m3 =1.204 kg/m3
=9793.32 N/m3 =11.81 N/m3
... (**) Puntoh(agua)h(aire)
1- -- -
21,51243,86
31,41160,94
41,2995,09
51,2995,09
61,2995,09
71,2995,09
80,19157,56
9- -- -
100,0974,63
110,182,92
120,182,92
130,1191,22
140,11897,85
150,1191,22
160,182,92
170,182,92
180,182,92
5. Conclusiones
Experiencia N 1 El manmetro Bourdon es recomendable usarlo en
presiones altas por que produce menor porcentaje de error. Ningn
instrumento puede indicar el valor exacto de la cantidad medida,
por dos razones: Imprecisin resultante de la condicin o empleo del
instrumento, Imprecisin intrnseca del instrumento en s. En
consecuencia hay que asegurarse que se entrega al instrumento una
verdadera muestra promedio de la cantidad que se mide.
Experiencia N 2 La inestabilidad del lquido de los instrumentos
se debe a que el flujo de aire era turbulento. A mayores
velocidades aumenta la turbulencia En el diagrama de velocidades,
la disminucin de las velocidades prximas a las paredes del tubo se
debe a presencia de friccin. La friccin entre el aire y el tubo de
pitot explicaran la no simetra en las grficas, puesto que la
velocidad mxima se encuentra en la posicin inicial, en la de menos
contacto con el instrumento.
Experiencia N 3 La presin en el ducto de succin es negativa,
esto es, menor que la presin atmosfrica. Esta consideracin debe
tenerse en cuenta al usar el manmetro diferencial, pues se debe
colocar la manguera de presin en el lado que nos permita tomar la
lectura de la diferencia de presin.
Las mediciones en el punto 10 y 11 del ducto de descarga no son
tan precisas dado que el flujo an no se ha estabilizado en el caso
de los dos ltimos porque estn muy cerca de la zona de descarga y en
el caso de las primeras, esto se debe a que esta parte del ducto se
encuentra muy cerca del compresor.
6. Recomendaciones
La determinacin de precisin de una presin no es posible si no se
tienen las siguientes precauciones:
1. La posicin del elemento sensible a la presin debe elegirse de
modo que en uno se halle presente la presin deseada.2. No debe
haber fugas en el tubo que lleva la presin por medir al
instrumento.3. Debe considerarse el efecto del fluido en el tubo de
trasferencia de la presin sobre la presin observada.4. El
instrumento medidor de presin debe elegirse de modo que la presin
son indicada con la precisin deseada.5. El instrumento medidor de
presin debe ser protegido contra todo efecto perjudicial causado
por las variaciones de presin y temperatura.
Puede haber variaciones apreciables de presin en un lquido en
movimiento, particularmente en la presin total. Por lo dems, en un
fluido que se supone en reposo, pueden darse corrientes de remolino
que pueden hacer que la presin medida resulte mayor que la presin
esttica verdadera. El viento natural, o las corrientes causadas por
ventiladores, pueden hacer que la presin baromtrica leda sea mayor
que la verdadera. Por consiguiente, hay que elegir con mucho
cuidado el lugar en que se hace la medicin. Un tubo de pequeo
dimetro puede conducir la presin por medir de un lugar a otro
tambin como un tubo de gran dimetro, siempre que no haya flujo. Por
razones de costo y conveniencia, se prefieren siempre los tubos de
pequeo dimetro. Pero con tubos de pequeo dimetro, sobre todo si son
largos, cualquier pequea fuga puede producir una cada de presin
apreciable y conducir, por lo tanto, a errores de medicin. Esto es
particularmente cierto si la prdida ocurre cerca del
instrumento.
7. Anexos
Anexamos la hoja de datos obtenida en el laboratorio.
8. Referencia bibliogrfica
Avallone, Eugene A. "Manual de Ingeniero Mecnico". Tomo 1 y 2.
Novena Edicin. Mc Graw Hill. Mxico, 1996.
Bolinaga, Juan. "Mecnica elemental de los fluidos". Fundacin
Polar. "Universidad Catlica Andrs". Caracas, 1992.
Enciclopedia Salvat, Ciencia y Tecnologa. Tomo 12 y 14. Salvat
Editores, S.A. Primera Edicin. Barcelona, 1964.
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