tubo de venturi
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Medición de presiones en tubo de venturiIntroducción
Esta investigación tiene como objetivo principal estudiar el efecto, funcionamiento y las aplicaciones tecnológicas del Tubo Venturi, del cual su invención data de los años 1.800, donde su creador luego de muchos cálculos y pruebas logró diseñar un tubo para medir el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad de tiempo.
Principalmente su función se basó en esto, y luego con posteriores investigaciones para aprovechar las condiciones que presentaba el mismo, se llegaron a encontrar nuevas aplicaciones como la de crear vacío a través de la caída de presión.
El Tubo Venturi es una tubería corta, recta o garganta, entre dos tramos cónicos. Luego otro científico mejoró este diseño, deduciendo las relaciones entre las dimensiones y los diámetros para así poder estudiar y calcular un Tubo Venturi para una aplicación determinada.
El estudiante o científico que conozca los fundamentos básicos y aplicaciones que se presentan en este trabajo debe estar en capacidad para calcular un tubo para sus propias aplicaciones y así aumentar su uso en el mundo real y tecnológico así como con investigaciones y nuevos diseños mejorar su fundamento y crear nuevos usos de acuerdo a sus necesidades.
1_objetivos:
Utilizar el tubo de Venturi y accesorios.
Medir presión total y estática.
Calcular velocidad y caudal.
Aplicar la ecuación de energía.
2_resumen
El banco hidráulico que vamos a utilizar en el siguiente experimento de fluidos nos
indica primero saber en qué consiste cada una de sus partes y su función que realiza
cada una de ellas sabiendo todo estos detalles comenzamos a realizar las mediciones
obtenida mediante el funcionamiento, midiendo el caudal en un determinado tiempo
ya sea en los tubos del Venturi y determinado velocidad ala su vez ir anotando y
completando la tabla de terminación de caudal, obteniendo diferentes resultados para
cada método comparamos y sacamos conclusiones del experimento realizado.
3_Marco teórico
TUBO DE VENTURI
Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo, algunos se utilizan para acelerar
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la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono. Estos modelos se utilizan en numerosos dispositivos en los que la velocidad de un fluido es importante y constituyen la base de aparatos como el carburador.
La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad.
Cuando se utiliza un tubo de Venturi hay que tener en cuenta un fenómeno que se denomina cavitación. Este fenómeno ocurre si la presión en alguna sección del tubo es menor que la presión de vapor del fluido. Para este tipo particular de tubo, el riesgo de cavitación se encuentra en la garganta del mismo, ya que aquí, al ser mínima el área y máxima la velocidad, la presión es la menor que se puede encontrar en el tubo. Cuando ocurre la cavitación, se generan burbujas localmente, que se trasladan a lo largo del tubo. Si estas burbujas llegan a zonas de presión más elevada, pueden colapsar produciendo así picos de presión local con el riesgo potencial de dañar la pared del tubo.
Principio de Bernoulli
El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:
1. Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.2. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.3. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que
posee.
La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos.
Donde:
V = velocidad del fluido en la sección considerada. g = aceleración gravitatoria z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. P = presión a lo largo de la línea de corriente. ρ = densidad del fluido.
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Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:
Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido.
Caudal constante Flujo incompresible, donde ρ es constante. La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo
irrotacional
Aunque el nombre de la ecuación se debe a Bernoulli, la forma arriba expuesta fue presentada en primer lugar por Leonard Euler.
Un ejemplo de aplicación del principio lo encontramos en el flujo de agua en tubería.
LA ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
La conservación de la masa de fluido a través de dos secciones (sean éstas S1 y S2) de un conducto (tubería) o tubo de corriente establece que: la masa que entra es igual a la masa que sale.
Definición de tubo de corriente: superficie formada por las líneas de corriente.
Corolario 2: solo hay tubo de corriente si V es diferente de 0.
La ecuación de continuidad se puede expresar como:
ρ1.S1.V1 = ρ2.S2.V2
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Cuando ρ1 = ρ2, que es el caso general tratándose de agua, y flujo en régimen permanente, se tiene:
o de otra forma:
(El caudal que entra es igual al que sale)
Donde:
Q = caudal (m3 / s) V = velocidad (m / s) S = área transversal del tubo de corriente o conducto (m2)
Que se cumple cuando entre dos secciones de la conducción no se acumula masa, es decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo tanto su densidad sea constante. Esta condición la satisfacen todos los líquidos y, particularmente, el agua.
En general la geometría del conducto es conocida, por lo que el problema se reduce a estimar la velocidad media del fluido en una sección dada.
1. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO:
El equipo HM150.07 sirve para estudiar el principio de Bernoulli.
Como objeto de medición se utiliza un tubo de Venturi con 6 puntos de medición de la presión. Las 6 presiones estáticas se muestran en un panel con 6 manómetros.
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Además, se puede medir la presión total en distintos puntos del tubo de Venturi. La presión total se indica en un segundo manómetro. La medición se efectúa mediante una sonda móvil en sentido axial respecto al tubo de Venturi. La sonda está cerrada herméticamente con una empaquetadura para prensaestopas.
El suministro de agua tiene lugar mediante el HM150 Módulo básico para hidrodinámica o a través de la red del laboratorio. El HM150 permite crear un circuito cerrado de agua.
Posibles ensayos:
Demostración del principio de Bernoulli. Mediciones de la presión a lo largo del tubo de Venturi. Determinación del factor de paso.
Detalles:
1. Panel de ejercicios.2. Manómetro de tubito simple.3. Tubo de salida.4. Válvula de bola de salida.5. Tubo de Venturi con 6 Puntos de medición de la presión.6. Empaquetadura para prensaestopas.7. Cabeza de medida de la presión total (móvil en sentido axial).8. Racor de manguera de suministro de agua.9. Válvula de bola de entrada.10. Manómetro de 6 tubitos (distribución de la presión en el tubo de Venturi).
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2. REALIZACIÓN DE ENSAYOS:
- Coloque el equipo de ensayo en el HM150 de forma que la salida de agua vaya a parar al canal.
- Conectar HM150 y el equipo con un tubo.- Abrir la salida de HM150.- Ajustar la tuerca racor [1] del prensaestopas de sonda de forma que la sonda se
pueda mover fácilmente.
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- Abrir las válvulas de bola de entrada y salida.- Cerrar la válvula de salida [2] del manómetro de tubito simple, abajo.- Conectar la bomba y abrir lentamente el grifo principal del HM150.- Abrir las válvulas de purga [3] de los manómetros.
- Cerrar con cuidado el grifo de salida hasta que los manómetros queden irrigados.- Ajustar simultáneamente el grifo de entrada y el de salida para regular el nivel de
agua en los manómetros de forma que no excedan los límites inferior y superior del área de medición [4, 5].
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- Medir la presión en todos los puntos de medición; después, colocar la sonda de presión total en el correspondiente nivel de medición y anotar la presión total.
- Determinar el caudal. Para ello se debe detener el tiempo t, necesario para llenar el depósito volumétrico de HM150 de 20 a 30 litros.
¡ATENCION!
El equipo de ensayo se debe colocar recto para evitar que los resultados de medición queden falseados.
Cuando se mida la presión, el depósito volumétrico de HM150 debe estar vacío y el grifo de salida debe estar abierto. De lo contrario, cuando crece el nivel de agua en el depósito volumétrico también se modifica la altura de elevación de la bomba.
Esto da lugar a relaciones de presión variables. Es importante mantener constante la presión de elevación de la bomba con caudales pequeños; de lo contrario, los resultados de medición quedan falseados.
El punto cero del manómetro de tubito sencillo se encuentra 80 mm por debajo del manómetro de 6 tubitos. Este dato se debe tener en cuenta cuando se lea la presión y se hagan cálculos.
Si se modifica el caudal, se deben volver a ajustar las dos válvulas de bola para que las presiones medidas se encuentren dentro de los márgenes de visualización.
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3. EVALUACIÓN DEL ENSAYO:
Los valores medidos se deben comparar con las ecuaciones de Bernoulli.
Ecuación de Bernoulli con una altura h constante.
Si se tienen en cuenta las pérdidas por fricción, al convertir las presiones p1 y p2 en niveles de presión estáticos h1 y h2:
p1: presión en la sección transversal A1.
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h1: nivel de presión en la sección transversal A1. w1: velocidad de fluido en la sección transversal A1. p2: presión en la sección transversal A2. h2: nivel de presión en la sección transversal A2. w2: velocidad de fluido en la sección transversal A2. ρ: densidad del medio = constante para fluidos incompresibles, como el
agua. hv: nivel de pérdida.
El caudal másico es constante en los sistemas cerrados.
Cuando: , entonces:
Cuando: , entonces:
3.1. Velocidad en el tubo de Venturi.
El tubo de Venturi utilizado tiene 6 puntos de medición.
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La tabla muestra la velocidad de referencia estandarizada W, que se deriva de la geometría del tubo de Venturi:
Con la velocidad de referencia se pueden calcular las velocidades teóricas Wrech en 6 puntos de medición del tubo de Venturi a partir de un valor inicial.
Si el caudal es constante, se obtiene un valor inicial para calcular las velocidades teóricas de:
Luego la velocidad w1 se multiplica por los valores de w. Los resultados se muestran en la tabla siguiente.
Se han calculado los valores siguientes para distintos caudales:
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En la tabla se tienen en cuenta las relaciones siguientes:
Cálculo del nivel de presión dinámico:
Se deben restar 80 mm porque los manómetros tenían una diferencia de punto cero de 80 mm.La velocidad Wmed se ha calculado a partir de la parte de presión dinámica medida mediante la fórmula:
Representación gráficaEl gráfico muestra las velocidades medidas y calculadas en el tubo de Venturi para un caudal de 0,275 Ltr/s.
Las desviaciones se deben a imprecisiones en la medición.
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3.2. Presión en el tubo de Venturi.
Representación gráficaLas modificaciones en la presión que se dan al inundar el tubo de Venturi se pueden representar directamente:
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Se ve con claridad que la ecuación
Siempre se cumple. Asimismo, se ha podido detectar una pequeña pérdida de presión al inundar el tubo de Venturi.
3.3. Determinación del factor de paso.
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El tubo de Venturi se utiliza para medir el caudal. Se diferencia de la medición de diafragma por su escasa pérdida de presión. El caudal se puede medir como la diferencia de presión Δp entre la entrada y el punto del tubo con menor diámetro:
El factor de paso K suele venir ajustado por el fabricante del tubo de Venturi. Si el factor de paso se desconoce, se puede calcular (si se conoce el caudal) a partir de la pérdida de presión Δp mediante la ecuación:
En la tabla siguiente se observa la pérdida de presión con distintos caudales y el factor de paso.
La pérdida de presión se puede leer en el manómetro de 6 tubitos, en la columna de agua en mm, y se puede utilizar en la ecuación en bares. El caudal se puede indicar en l/s.
Experimento
Procedimiento realizado
Abrir la llave de ingreso de agua.
Medir el caudal ingresado con un cronometro.
Medir el caudal en el manómetro de tubitos o piezómetros.
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Medir el caudal en el manómetro de tubo de pitot.
Medir la presión estática o termodinámica.
Fotos del experimento realizado en el laboratorio
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Manómetro de tubito simple
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Tubo de
Manómetro de 6
Medición de presión total
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CALCULOS
CAUDALIMETRO
DATOS E TIEMPO Y VOLUMEN CALCULO DE CAUDAL
Ensayo Tiempo (Seg)
Vol. Inicial (L(
Vol. Final (L)
∆V (litros) Q =
∆VT
(litros)1 24.94 553 557 4.0 0.160
2 24.94 561 565 4.0 0.160
3 25.00 568 572 4.0 0.160
4 25.00 574 578 4.0 0.160
Qm (lt/s) 0.160
TUBO DE VENTURI
DATOS DE PRESIONES CALCULO DE VELOCIDAD Y CAUDAL
Sección Presión total
(mm.c.a.)
Presión est.
(mm.c.a.)
∆h (mm.c.a.)
Vi = √2g ∆h (m/s)
Qi = 1000*ViAi
(lt/s)1 268 260 8 0.396 0.135
2 265 245 20 0.626 0.144
3 261 20 241 2.173 0.174
4 255 160 95 1.364 0.232
5 230 185 45 0.939 0.244
6 220 190 30 0.767 0.261
Qprom. 0.198
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(lt/s)
VELOCIDAD CALCULADA
Sección Área (mm2)
Área (m2)Vi.cal =
QmAi
m/s1 338.6 0.00034 0.473
2 233.5 0.00023 0.685
3 84.6 0.00008 1.891
4 170.2 0.00017 0.940
5 255.2 0.00026 0.627
6 338.6 0.00034 0.473
GRAFICOS
1. PRESIONES EN EL TUBO DE VENTURI
0 1 2 3 4 5 6 7 80
50
100
150
200
250
300
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VELOCIDADES DEL TUBO DE VENTURI
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0 1 2 3 4 5 6 70
0.5
1
1.5
2
2.5