Apartado 1: Estudio de la perdida de carga.

1.1.OBJETIVO

Realización de un estudio de la perdida de carga en un venturímetro.

1.2. MATERIAL UTILIZADO

La práctica se realiza en una instalación hidráulica (Fig. 1), la cual esta constituida por un rotámetro, un medidor de venturi, manómetros simples de tubo en U de un sólo fluido, tuberías de diferentes diámetros y longitudes, accesorios de tuberías ( codos, válvulas, tes…), e.t.c.

Figura 1: Instalación hidráulica.

1.3. FUNDAMENTO TEÓRICO

! Carga y presión de un fluido.

Es importante tener claro el concepto de carga, ya que en ocasiones (como es el caso) es común expresar presiones en términos de carga. La carga no es más que una forma de expresar la presión, la diferencia entre ambas son las unidades. La presión es la fuerza superficial ejercida por un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contienen (fuerza por unidad de área). Teniendo en cuenta la teoría se obtiene la expresión para la presión:

(3.1) P= F/A ! P= presión, F= fuerza, A= área

Utilizando la expresión de la densidad:

=m/V! m= .V de donde el V=A.h (siendo A= área, h= altura, =densidad y V= volumen)

(3.2) m= .A.h

Sustituyendo la ecuación (3.2) en la ecuación (3.1) se obtiene la expresión para la carga:

P=F/A! P=(m.g)/A!P= (.A.h.g)/A!P=.h.g!h=P/(.g)

(3.4) h=P/(.g) siendo h= carga, P= presión, =densidad, g= aceleración de la gravedad.

La dimensión de la carga es la longitud, [h]=L

! Perdida de carga de un fluido.

Es la perdida de carga (o de presión) que sufre un fluido al desplazarse de un punto al otro debido a una variación de velocidad entre dichos puntos.

! Manómetro simple de tubo en U

Se utiliza para determinar la diferencia de presiones entre dos puntos. Existen diferentes tipos de manómetros(manómetro simple de tubo en U, Tubo en U de dos fluidos), pero el funcionamiento es análogo. El manómetro utilizado consta de uno o varios tubos en forma de U que contiene un liquido (en este caso agua de la instalación hidráulica).Consiste en conectar cada uno de los extremos del manómetro a los puntos en donde interesa medir la diferencia de presión y la diferencia entre los niveles del líquido en ambos tubos indica la diferencia entre la presión de los dos puntos estudiados. La siguiente figura (Fig.2) enseña un manómetro en U de columna de agua en el cual se mide la diferencia de presión entre el punto 1 y el punto 0.

! Fig.2: Manómetro. Perdida de carga=h1-h0

! Rotámetro

El rotámetro (Fig.3) es un medidor de caudal para fluidos que circulan por conductos cerrados.

! Fig.3: Rotámetro

Consiste en un conducto transparente y un “flotador” (el flotador es más pesado que el liquido, por eso el uso de comillas), el cual se desplaza hacia arriba debido al flujo también hacia arriba a través del conducto. El tubo transparente esta graduado para poder leer directamente el caudal del flujo. El flotador consta de diversas ranuras, las cuales hacen que este gire y que se mantenga en una posición central en el tubo (dejando así pasar el agua). La posición del flotador depende del caudal, de manera que cuanto mayor sea el caudal más arriba será la posición alcanzada por el flotador y si el flotador mantiene la misma posición en el tubo significa que el caudal es constante.

! Medidor de Venturi.

El medidor de Venturi (Fig.4) es un medidor de caudal que consta de dos tubos en forma de conos invertidos que se inserta directamente en la tubería.

Fig.4: Medidor de Venturi

Es importante el lugar de inserción del Venturimetro, ya que en los codos de las tuberías se forman turbulencias y si se inserta posterior al codo las medidas serian erróneas, por lo tanto, es necesario introducirlo en una tubería la cual se mantiene recta durante una longitud suficiente para que el flujo no presente turbulencias ocasionadas por los codos. El caudal se mantiene constante durante todo el medidor a no ser de que se gire la llave de paso (todo el flujo que entra vuelve a salir). El diámetro 1 de la tubería experimenta una disminución gradual hasta llegar al diámetro 2, debido ha esta reducción de diámetro la velocidad aumenta del punto 1 al punto 2 y hay una diferencia de presiones (debido al aumento de velocidad) que se mide a partir de un manómetro conectado a las derivaciones indicadas en la Fig.4. La velocidad v1 aumenta hasta llegar a la velocidad v2 y después de recorrer una determinada longitud a lo largo del tubo vuelve a recobrar su velocidad original (v1). No sucede lo mismo con la presión, esta nunca se recupera en su totalidad debido a las perdidas por fricción. Para que la perdida sea mínima el diámetro debe variar gradualmente y no de forma brusca, por lo que es importante el valor de los ángulos  y . El valor para el cual la perdida de carga es mínima son 13º y 7º. Utilizando estos ángulos la longitud del tubo de venturi puede ser grande por lo que en ocasiones se pueden aumentar los ángulos con el fin de abaratar su fabricación.

A la hora de deducir la expresión correspondiente al tubo de venturi se considera una tubería horizontal y se desprecia la fricción. La base de la deducción esta en:

a) la “Ecuación de continuidad”:

(3.3) 1.v1 .A1 = 2 v2 A2 siendo A el área de paso (m2).

v (m/s) la velocidad del fluido en los puntos 1 y 2.

 (Kg/m3) la densidad del fluido.

Al ser la densidad constante y conociendo el área de paso del fluido la ecuación de continuidad se reduce a:

v velocidad (m/s)en el punto 1 y 2

D diámetro (m)en los puntos 1 y 2

b) balance de energía mecánica.

Al tener el tubo en posición horizontal la altura a la que se encuentran del suelo el punto 1 y el 2 es la misma, por lo tanto la energía potencial se simplifica. Y al considerar que no hay fricción ("F=0) y que no se añade energía mecánica (Ws=0) la expresión a utilizar se convierte en la ecuación de Bernouilli:

Combinando las ecuaciones (3.4) y (3.5) se obtiene una expresión (3.6) a la cual se le añade un coeficiente experimental Cv para tener en cuenta la perdida por fricción (3.7). Se obtiene la velocidad en la garganta y volviendo a la ecuación de continuidad se puede obtener la velocidad a la entrada, para calcular la velocidad de flujo se multiplica la velocidad obtenida por el área de paso del fluido.

(3.6)

(3.7)

v2= velocidad en el punto 2 o garganta (m/s)

D1= diámetro en el punto 1 o entrada (m)

D2 = diámetro en el punto 2 o garganta (m)

Cv = coeficiente de descarga para un venturímetro (adimnsional)

 = densidad del fluido (Kg/m3)

p1 = presión en la entrada (Pa)

p2 =presión en la garganta (Pa)

1.4.PARTE EXPERIMENTAL

Es necesario el trabajo en equipo para obtener los resultados de la tabla 4-1. La lectura en los manómetros debe hacerse de forma rápida y siempre desde el mismo ángulo, es decir, por encima del menisco o por debajo, pero nunca ambas posiciones. Cada grupo (en total 3) se encarga de un apartado de la práctica y se trabaja en rotación, el trabajo a realizar es:

Tabla 4-1