lab. 1 (f. incompresible)

Nota: La presente gua de laboratorio es una adaptacin sacada del manual proporcionado por la empresa Edibon y

fue realizada por Arturo Arosemena.

MECANICA DE FLUIDOS II

Flujo Incompresible

Laboratorio 1

Determinacin de secciones transversales de un tubo de Venturi

Objetivos:

1. Familiarizar al estudiante con el banco hidrulico (modelo FME00B) y con el equipo de demostracin del teorema de Bernoulli (modelo FME03); comprados a la compaa

Edibon.

2. Practicar la aplicacin del teorema de Bernoulli y el principio de conservacin de materia.

3. A partir de lo anterior, determinar las secciones transversales del tubo de Venturi que forma parte del modelo FME03.

Descripcin del equipo:

El banco hidrulico FME00B, es un equipo que consta de una bomba centrifuga que

aspira agua de un depsito de 140 litros. A la salida de la bomba se dispone de un caudalmetro

que se utiliza para regular el caudal de agua de entrada en el equipo y que termina en una

boquilla provista de un conector de conexin rpida. A este conector se acopla un conducto

flexible, el cual es conectado al equipo FME03.

El accionamiento elctrico al motor que impulsa la bomba se realiza mediante el

interruptor existente en la caja de control situada en el lateral del depsito. En dicha caja tambin

se encuentra un indicador luminoso, para asegurar el correcto funcionamiento del equipo.

Por la parte inferior del depsito existe una llave que ayuda al vaciado total del depsito, en caso

de que sea necesario.

Figura 1. Mdulo de servicio, banco hidrulico FME00B.

En cuanto al equipo de demostracin del teorema de Bernoulli, FME03, est formado por

un conducto transparente de seccin circular con forma de cono truncado (tubo de Venturi, (9)).

A lo largo del conducto se encuentran siete llaves de presin que permiten medir,

simultneamente, los valores de presin esttica correspondientes a cada una de las secciones

donde se encuentran las llaves de presin. Todas las llaves de presin estn conectadas a un

panel de tubos manomtricos (2), estos tubos miden un rango que va de 0 a 300 mm columna de



agua. El tubo de Venturi es extrable, por lo que permite su colocacin tanto en forma

convergente-divergente como divergente-convergente con respecto a la direccin del flujo.

Hay tambin una sonda, tubo de Pitot (7), que se puede desplazar a lo largo de la tubera

para medir la presin total en la seccin deseada.

La velocidad de flujo en el equipo puede ser modificada, bien ajustando la vlvula

reguladora de caudal (6), o bien regulando el suministro que alimenta la entrada de la tubera

(10).

Figura 2. Modelo FME03 montado sobre el mdulo de servicio, banco hidrulico FME00B.

Marco terico:

La ecuacin de conservacin de energa, en su forma ms general se expresa como,

(1)

En tanto que el principio de conservacin de masa, en su forma m ms general se expresa

como,



(2)

Si aplicamos la ecuacin (1) considerando dos secciones diferentes de una tubera, y suponiendo

que el proceso es de estado estable, flujo estable, que el fluido de trabajo es incompresible, que

no hay transferencia de calor ni dispositivos que hagan trabajo sobre el fluido y que las prdidas

de carga pueden ser ignoradas; la ecuacin de conservacin de energa quedara de la siguiente

forma:

(3)

donde, P, g, , V, y z son la presin, gravedad, densidad, velocidad y elevacin, respectivamente. La ecuacin (3) es conocida como ecuacin de Bernoulli en la mecnica de

fluidos.

Si la tubera es horizontal, el cambio de energa potencial entre ambos puntos ser igual a

cero. Por lo tanto la ecuacin de Bernoulli se reduce a:

(4)

Es decir:

(5)

Donde , , , son la altura cintica, altura piezomtrica (altura de columna de agua asociada con la presin del campo gravitatorio) y altura total, respectivamente.

Figura 3. Representacin grfica de la variacin de energa del flujo que sigue un proceso

reversible a lo largo de dos secciones del tubo de Venturi.



Para el desarrollo de esta experiencia, tambin se debe tener claro que es un tubo de Pitot.

Un tubo de Pitot se considera como un obstculo fijo en el fluido en movimiento, que a travs de

un orificio y al unirse con un tubo de medida, puede medir la presin total o de estancamiento en

una determinada seccin de la tubera.

A partir de la ecuacin (5) y recordando que el fluido se detiene completamente frente al tubo de

Pitot, nos queda:

Lo cual nos permite determinar la velocidad con la que va el fluido en la seccin de inters:

(6)

Aqu es el cambio de elevacin entre el tubo manomtrico conectado a la llave de presin de la seccin y el tubo conectado al tubo manomtrico del Pitot.

Figura 4. Representacin grafica de medicin realizada con tubo de Pitot.

Procedimiento:

Antes de comenzar la experiencia, se deben seguir los siguientes parmetros para el

correcto llenado de los tubos manomtricos:

1. Cerciorarse de que las tuberas de entrada y salida del modelo FME03 estn correctamente conectadas.

2. Cerrar las vlvulas de control del banco hidrulico (VC1) y de control de flujo del equipo (VC2).

3. Abrir despacio y completamente la vlvula VC2 para poner en marcha la bomba de agua. Seguidamente abrir despacio y completamente la vlvula VC1 hasta que alcance un flujo

mximo.

4. Tras 1 minuto aproximadamente, cerrar completamente la vlvula VC2. Los tubos se llenaran completamente. Si se quiere cierre tambin la vlvula VC1, una vez se encuentre

cerrada la VC2.

5. Para regular la altura de los tubos: abrir, si estuviera cerrada, la vlvula anti retorno que regula la entrada de aire en los tubos manomtricos. Con la bomba de aire introducir aire

en los tubos manomtricos. Una vez se tenga cierta presin de aire, abrir durante muy

poco tiempo la vlvula VC2, de esta manera el nivel de los tubos bajar, Las alturas en



los tubos se igualarn al cerrar la vlvula VC2. Repetir hasta que en los tubos se alcance

una altura entre 100 y 150 mm.

Se debe tener en cuenta que el tubo manomtrico del Pitot tardara ms tiempo en alcanzar

la misma altura.

Se hace la salvedad que para la realizacin de esta experiencia se necesita un cronmetro.

Procedimiento experimental:

1. Colocar el equipo FME03 sobre el mdulo de servicio, banco hidrulico FME00B. 2. Conectar la manguera de entrada al suministro del mdulo FME00B y dirigir la

manguera de salida hacia el tanque volumtrico (13). El sentido del tubo de Venturi no es

importante en esta prctica.

3. Llenar correctamente los tubos manomtricos como se indica en los parmetros mencionados al inicio del apartado Procedimiento.

4. Abrir las vlvulas de caudal del mdulo de servicio, banco hidrulico (VC1) y de regulacin del equipo (VC2).

5. Fijar un caudal y anotar su valor en la tabla 1. 6. Colocar el tubo de Pitot en la primera toma de presin de mnima seccin. Esperar a que

la altura en el tubo manomtrico de Pitot se estabilice. Este proceso puede tardar unos 5-7

minutos.

7. Cuando la altura de ambos tubos sea estable, determine la diferencia de altura entre los

dos tubos manomtricos. representa la presin esttica en columna de agua: en tanto que es la presin total en columna de agua medida por el Pitot. La diferencia de la presin total y de la presin esttica, corresponde a la presin dinmica. A partir de esta

diferencia calcule la velocidad en el punto respectivo. Anote en la tabla 1.

8. Con el valor de la velocidad y el caudal respectivo determine el rea de seccin transversal. Anote en la tabla 2.

9. Repita los pasos del 6 al 8 para cada toma de presin (6 en total). 10. Repita los pasos del 3 al 9 para diferentes caudales de agua.

A las finales lo que se debe determinar son las seis secciones medias obtenidas a diferentes

caudales. Para la prctica se recomiendan caudales de 600 L/h, 750 L/h y 1000 L/h.

Tabla 1.



Tabla 2.

Preguntas:

1. A qu cree que se debe la diferencia entre A1, A2 y A3? 2. Por qu la presin medida por el tubo de Pitot decrece a lo largo de la tubera?

Referencia:

1. engel, Y., Cimbala, J., 2007, MECANICA DE FLUIDOS: Fundamentos y Aplicaciones, McGraw-Hill.

lab. 1 (f. incompresible)

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