medición de caudal y

Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNPRG - FIME

ANÁLISIS DE FLUJO INCOMPRESIBLE: MEDICIÓN DE CAUDAL Y

CALIBRACIÓN DE ROTAMETROS

I. OBJETIVOS:

Aprender el funcionamiento de los instrumentos que se utiliza para la medición del flujo volumétrico (caudal)

Obtener la curva de calibración de un rotámetro utilizando una cubeta graduada y un cronometro como instrumentos patrón.

Determinar el coeficiente de descarga.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO:

La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desvía hacia un canal o cañería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro. Para los caudales de más de 4 l/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenará en 2½ segundos. Para caudales mayores, un recipiente de 200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 l/s. El tiempo que se tarda en llenarlo se medirá con precisión, especialmente cuando sea de sólo unos pocos segundos. La variación entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de los resultados.

El principio fundamental de los medidores de flujo es producir una transformación de la mecánica de los fluidos, de energía de presión a velocidad de flujo .La importancia de la medida del flujo de fluido que circula a través de una tubería es el propósito fundamental del presente informe, siendo uno de los aspectos más importantes en el control de proceso, de hecho, es una de las variables más medidas.

Existen muchos métodos confiables y precisos para medir flujo, entre los instrumentos utilizados están los instrumentos de área variable, trabajando para efectos de la práctica con el rotámetro, cuya calibración es de gran utilidad para comprobar la efectividad del instrumento y su porcentaje de error.

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CAUDAL: caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Q=Vt

Donde:

Q: Caudal real.

V: Volumen.

t: Tiempo.

ROTAMETROS:

Son medidores de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. El Rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal.

Los rotámetros, flowmeters, del tipo área variable, son instrumentos diseñados para la medición y control de caudales, gases y líquidos. Fabricamos caudalímetros desde 1 ml/h hasta 1000000 lts/min. La unidad de lectura vendrá especificada en la

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unidad de preferencia del usuario (lts/h, g/min, m/h, scfh, lbm/min, scfm, etc), es decir, lectura directa de caudal.

Rangos operacionales disponibles: desde 0,5 ltrs/h de agua (0,01 mtr^3/h de aire), para tuberías de diámetro 1/4" NPT, hasta 100000 ltrs/h de agua (3000 mtrs^3/h de aire) para tuberías de diámetro 4". Para diámetros de tubería mayores de 3", caudales hasta 10000000 ltrs/min, se usará el medidor de flujo de tipo área variable modelo "push botton".

Aquí se presenta un modelo de las especificaciones técnicas de un Rotámetro:

El tubo medidor del tipo pyrex, está protegido por una carcasa protectora de acero inoxidable calidad 316.

EL flotador medidor se desplaza verticalmente a lo largo de una varilla guía, razón por la cual pueden ser utilizados para medir fluidos de una alta viscosidad.

Rotámetros de seguridad con fabricación especial y a requerimientos específicos están disponibles.

Los materiales usados son:

Tubo medidor en vidrio borosilicato tipo pyrex.

Conectores y partes internas en acero inoxidable 316.

Rotámetro para Líquidos y Gases

El Rotametro para Liquidos y Gases, es de medicion de Caudal Instantáneo en procesos corrosivos: la elevada especialización lograda por la industria en nuestros días ha requerido de múltiples procesos corrosivos y sanitarios. Como consecuencia de ello, se acrecienta la necesidad de reemplazar los materiales tradicionales por otros, más competentes ante las nuevas exigencias. Termoplásticos como el PVC, PVDF, Poliamida, Polipropileno, Polisulfona; son hoy día los más aptos para resistir químicamente la mayoría de los procesos corrosivos y ofrecer al mismo tiempo condiciones de higiene indispensable en procesos sanitarios que la industria alimenticia requiere. Un termoplástico de la más alta performance es Polisulfona, con resistencias comprobadas - según fluído - de hasta 150°C de temperatura contínua de trabajo y excelente aptitud en medios agresivos como ácidos, álcalis y solventes. Gracias a estas cualidades Polisulfona ha reemplazado a metales, vidrio y cerámica en

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una gran variedad de aplicaciones. Y con la ventaja adicional de su económica fabricación y menor peso.

Los Rotámetros etán equipados con 2 guías ajustables -de color naranja- que permiten la rápida visualización, inclusive a distancia, de caudales máximos y mínimos. Es posible incluso realizar un monitoreo externo con el agregado de kits de alarmas por bajo y alto caudal; o indicación remota mediante la transmisión de una señal de 4-20 mA. proporcional al caudal que circula.

Aplicaciones Principales:

Medición de caudal instantáneo de gases y líquidos corrosivos y procesos sanitarios.

Principio de Funcionamiento

El flotante alojado en el tubo cónico es levantado por el flujo ascendente del fluido a medir. El mismo se eleva hasta el punto en que su peso equilibra la fuerza de empuje, permitiendo la lectura directa del caudal en una escala graduada sobre el frente del instrumento. ESCALA Original graduada en l/h. de agua. A pedido se calibra y confeccionan escalas para cualquier tipo de fluído y unidades de caudal.

Especificaciones del Rotametro para Liquidos y Gases

Instalación: conexión vertical con rosca NPT Rango: desde 300 l/h hasta 20 m3/h de agua. Construcción: tubo de medición de Polisulfona; cabezales de PVC / PP / PVDF. Flotante: de PVDF Apto: hasta 90ºC y 10 bar Opciones: 1-alarmas para bajo y alto caudal; 2 – salida 4-20 mA

Características:

Conexión: coaxial NPT interior.

Exactitud: ± 3% fondo de escala.

Temperatura máxima: PVC: 60 °C

Polipropileno: 90 °C

Presión máxima: 10 bar a 20 °C.

Tubo de medición: Polisulfona.

Cabezales: PVC / Polipropileno

Flotante: PVDF Arosellos: EPDM

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Calibración del rotámetro

Una vez determinado el caudal que circula por la instalación mediante la placa orificio, es posible hacer una calibración del rotámetro.

Para ello, es necesario obtener la constante de proporcionalidad entre el caudal medido con la placa y la medida marcada por la escala del rotámetro:

El proceso debe repetirse para varias medidas del caudal con vistas a poder obtener un valor medio de la constante de proporcionalidad k, que se ajuste lo más posible a la realidad.

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III. ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y MATERIALES:

1. Un Rotámetro.

MEBROHR NR. B 70884

2. Una Cubeta Graduada.

3. 01 Cronometro.

4. Termómetro tipo k

MODEL 303C

CLOCK

IV. DATOS EXPERIMENTALES:

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Presión : P = 1atm

Temperatura del Bulbo Húmedo : TBS = 24.7C°

Humedad Relativa : HR= 60%

Hora : 10.30 Am. – 11 Am.

Serie del Rotámetro : MEBROHR Nr b 70884

V. PROCEDIMIENTO:

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N°Posicion del Flotador

(mm)Valor Min Tiempo

ASC DSC ASC DSC ASC DSC1 50 50 0.50 0.50 35.54 432 55 55 0.50 0.50 35 293 60 60 0.50 0.50 23 214 70 70 0.50 0.50 16 155 75 75 0.50 0.50 13 136 80 80 0.50 0.50 12 117 90 90 0.50 0.50 9 88 95 95 0.50 0.50 8 99 100 100 0.50 0.50 7 7.47

10 110 110 0.50 0.50 6 7.55


Teniendo a disposición los instrumentos a utilizar en el ensayo, los cuales estaban en la planta piloto de la UNPRG. Se procedió a realizar lo siguiente.

1. Medir la temperatura de bulbo seco, y registrar las condiciones ambientales (presión atm, temperatura y humedad relativa)

2. A través de la apertura de una válvula que permite el ingreso del líquido el cual nos permitirá marcar la posición del flotador (mm) en el rotámetro lo cual es comparado con un monograma (ver anexo) para obtener el caudal teórico y paralelamente también se tiene una cubeta graduada lo cual arroja el caudal real en un tiempo determinado para ambos.

3. Tomar medidas de columnas de líquido en el rotámetro desde 80mm hasta 170mm en intervalos de 10mm.

4. Una vez tomado la medida en el rotámetro controlar un tiempo determinado con ayuda de un cronometro y medir el caudal real en la cubeta graduada (l/s).

5. Anotar todos los datos en la tabla de datos experimentales.

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VI. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Teniendo en cuenta las siguientes formulas se realizara los cálculos respectivos para el desarrollo completo pedido en el ensayo.

Para el caudal teórico ver tabla Nr. B 66018 y dividir el valor tomado entre 3600 (Tabla # 03).

Para el caudal real usar la siguiente fórmula:

Caudal Real Promedio:

Caudal Teórico Promedio:

Coeficiente de descarga:

Error absoluto: EA=QTP−QRP

Error relativo: ER=QTP−QRPQTP

Con la ayuda del programa Microsoft Excel se realizó todo los cálculos los cuales están es la tabla de resultados que se muestra a continuación.

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TABLA DE RESULTADOS

EA ER

Asc Dsc Asc Dsc Asc Dsc Asc Dsc Asc Dsc QTP QRP (l/s) (%)1 50 50 0.50 0.50 35.54 43 0.0141 0.0116 0.0578 0.0578 0.0578 0.0128 0.2223 0.0450 77.77 0.00101 0.03179

2 22 55 0.50 0.50 35 29 0.0143 0.0172 0.0689 0.0689 0.0689 0.0158 0.2288 0.0531 77.12 0.00141 0.03757

3 60 60 0.50 0.50 23 21 0.0217 0.0238 0.0800 0.0800 0.0800 0.0228 0.2847 0.0572 71.53 0.00164 0.04046

4 70 70 0.50 0.50 16 15 0.0313 0.0333 0.0911 0.0911 0.0911 0.0323 0.3545 0.0588 64.55 0.00173 0.04158

5 75 75 0.50 0.50 13 13 0.0385 0.0385 0.1044 0.1044 0.1044 0.0385 0.3684 0.0659 63.16 0.00217 0.04663

6 80 80 0.50 0.50 12 11 0.0417 0.0455 0.1155 0.1155 0.1155 0.0436 0.3771 0.0719 62.29 0.00259 0.05087

7 90 90 0.50 0.50 9 9 0.0556 0.0556 0.1289 0.1289 0.1289 0.0556 0.4310 0.0733 56.90 0.00269 0.05186

8 95 95 0.50 0.50 8 8 0.0625 0.0625 0.1611 0.1611 0.1611 0.0625 0.3880 0.0986 61.20 0.00486 0.06972

9 100 100 0.50 0.50 7 7.55 0.0714 0.0662 0.1544 0.1544 0.1544 0.0688 0.4458 0.0856 55.42 0.00366 0.06051

10 110 110 0.50 0.50 6 7.47 0.0833 0.0669 0.1678 0.1678 0.1678 0.0751 0.4478 0.0927 55.22 0.00429 0.06552

puntosPocision del flotador Volumen (l) Tiempo (s) Caudal Real (l/s)

D.ECaudal Promedio

c.d VARIANZACaudal Teorico (l/s)

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VII. GRAFICAS:

0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.190.0500

0.0550

0.0600

0.0650

0.0700

0.0750

0.0800

CURVA DE CALIBRACION Y AJUSTE

QTP (l/s)

QR

P

(l/s

)

0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.190

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

CURVA DEL ERROR

QTP (l/s)

ERR

OR

AB

SOLU

TO

(

l/s)

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0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.190

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CURVA DE CORRECCIÓN

QTP (l/s)

ERR

OR

REL

AT

IVO

(%

)

0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.190.06

0.11

0.16

0.21

0.26

0.31

0.36

0.41

0.46

0.51

COEFICIENTE DE DESCARGA vs QTP

QTP (l/s)

COEF

ICIE

NT

E D

E D

ESCA

RG

A

(c.d

)

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VIII. CONCLUSIONES OBSERVACIONES, Y RECOMENDACIONES:

Conclusiones:

Mediante la práctica realizada hemos aprendido a calibrar un rotámetro

con ayuda de una cubeta y un cronometro.

La posición del flotador se convierte en un parámetro de comparación

entre el caudal teórico y el real.

Obteniendo el caudal real y teórico hemos podido calcular el coeficiente

de calibración.

Observaciones:

El caudal Real Asc. y Dsc. no varía a diferencia del caudal real que varía en

cada toma coincidente.

El caudal teórico es igual cuando se toma la medida ascendente que

descendente.

El porcentaje de error es muy alto esto se puede deber a una mala precisión

con que se tomaron las medidas.

Recomendaciones:

Para disminuir el error trabajar con una cubeta más grande (1L ó más).

Tener mucho cuidado al abrir o cerrar las válvulas que permiten el

ingreso del líquido al Rotámetro.

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IX. BIBLIOGRAFIA:

Monograma entregado por el docente a cargo del curso.

MOTT, ROBERT L. mecánica de fluidos aplicada. Edición Prentice- Hall cuarta

edición.

http://www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s06.htm

http://www.inia.cl/medios/biblioteca/boletines/NR25635.pdf

http://mecanicadefluidos5.blogspot.com/2010/10/medidores-de-velocidad-y-caudal-

en.html

http://www.aguamarket.com/productos/productos.asp?

producto=14006&nombreproducto=rotametros+para+liquidos+y+gases+

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http://www.aguamarket.com/productos/productos.asp?producto=14006&nombreproducto=rotametros+para+liquidos+y+gases+

http://www.aguamarket.com/productos/productos.asp?producto=14006&nombreproducto=rotametros+para+liquidos+y+gases+

http://mecanicadefluidos5.blogspot.com/2010/10/medidores-de-velocidad-y-caudal-en.html

http://mecanicadefluidos5.blogspot.com/2010/10/medidores-de-velocidad-y-caudal-en.html

http://www.inia.cl/medios/biblioteca/boletines/NR25635.pdf

http://www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s06.htm


X. ANEXOS:

Monograma

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Fotos:

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medición de caudal y

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