1. ACTIVIDAD ACADÉMICA MEDIDA DE CAUDALES Y DE PRESIONES

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1 1. ACTIVIDAD ACADÉMICA MEDIDA DE CAUDALES Y DE PRESIONES 1.1. Introducción 1.2. Descripción de la instalación fluidomecánica 1.3. Descripción de la actividad práctica propuesta Profesor: Inmaculada Pulido Calvo 1

2 1. ACTIVIDAD ACADÉMICA MEDIDA DE CAUDALES Y DE PRESIONES 1.1. Introducción Esta actividad académica tiene como objetivo global la medida experimental de presiones p y caudales Q en conducciones a presión instaladas en dos bancos de ensayos. Para la consecución de este objetivo global, se plantean los siguientes objetivos específicos: (a) Medida de presiones p utilizando manómetros diferenciales de columna de líquido y manómetros metálicos tipo Bourdon. Comparación de los distintos tipos de manómetros utilizados. (b) Medida de caudales Q utilizando un diafragma aforador o medidor de orificio y un caudalímetro electromagnético. Comparación de los dos tipos de aforadores utilizados Descripción de la instalación fluidomecánica Esta actividad académica se realiza en dos bancos de ensayos ubicados en el laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Huelva. En las Figuras 1.1 y 1.2 se muestran las fotografías de los equipos mencionados. Uno de ellos es un modelo a escala de una red de tuberías a presión y el otro es un modelo a escala de una conducción libre o canal Equipo de redes de tuberías a presión El equipo de redes de tuberías a presión consta de un panel vertical con marco de perfil de aluminio donde va están instaladas las tuberías. Estas conducciones son de PVC y tienen cuatro tipos de diámetros: (a) diámetros interior y exterior de 21.2 y 25 mm, respectivamente; (b) diámetros interior y exterior de 17 y 20 mm; (c) diámetros interior y exterior de 13.6 y 16 mm; (d) diámetros interior y exterior de 27.2 y 32 mm. Además se dispone de varios elementos singulares de unión de las conducciones, también de PVC, como son: codos de 90º y bifurcaciones en T y cruz (Figura 1.1). 2

3 Figura 1.1. Equipo de redes de tuberías a presión (MCD, 2000) Los medidores de presión p disponibles son: manómetro diferencial de columna de agua (rango de lectura de 0 a 1000 mm.c.a); manómetro diferencial de columna de mercurio (rango de lectura de 0 a 600 mm.c.hg); manómetro tipo Bourdon (rango de lectura de 0 a 25 m.c.a); y mano-vacuómetro tipo Bourdon (rango de lectura de 76 cm.c.hg a 15 m.c.a) (Figura 1.2). Los manómetros de columna de líquido cuentan con purgadores para eliminar el aire. Además el manómetro de mercurio lleva dos depósitos de seguridad para evitar que el mercurio pueda pasar a la instalación. Las tomas manométricas son enchufes rápidos de doble obturación a las que se puede conectar cualquiera de los manómetros disponibles en el panel de ensayos sin parar la bomba, ni modificar ninguna válvula, para conocer tanto las presiones diferenciales entre puntos, como las presiones relativas a lo largo de todo el circuito (Figura 1.3). La medida del caudal Q se debe realizar por medio de un diafragma aforador o medidor de orificio previamente tarado, cuya curva de calibración o ecuación de gasto es: 2 Q= h h (1.1) siendo h la diferencia de niveles piezométricos entre la sección (1) aguas arriba del diafragma de baja velocidad y alta presión y la sección (2) aguas debajo de alta velocidad y baja presión (Figura 1.4). En la ecuación (1.1) el caudal y la diferencia de niveles piezométricos tienen unidades de l/h y mm.c.a, respectivamente. Con este sistema de medida del caudal se tiene una precisión del 0.75%. 3

4 (a) (b) (c) Figura 1.2. Manómetros instalados en el panel de tuberías: (a) Diferencial de columna de agua; (b) Diferencial de columna de mercurio; (c) Tipo Bourdon Figura 1.3. Tomas manométricas instaladas en el panel de tuberías Figura 1.4. Medidor de orificio instalado en una conducción del panel de tuberías. Geometría característica del flujómetro en la tubería 4

5 Las válvulas de bola sirven para configurar los distintos tipos de redes o sistemas de tuberías ya que permiten abrir o cerrar el paso del fluido por los diferentes tramos. Para la regulación del caudal circulante se utiliza una válvula de regulación (Figura 1.5). La bomba centrífuga instalada proporciona la energía necesaria para que el fluido circule por la instalación. Figura 1.5. Válvulas instaladas en el panel de tuberías: (a) válvula de bola; (b) válvula de regulación de caudal Equipo de ensayo para conducciones libres El segundo banco de ensayos es un canal hidráulico como se muestra en la Figura 1.6. Se trata de un canal de 2.5 m de longitud de sección rectangular (0.082 m de ancho y 0.25 m de profundo) donde el agua es impulsada por una bomba centrífuga horizontal (Q: l/min; H: 22-9 m.; 50Hz; 2900 rpm) desde de un depósito de 250 l de capacidad máxima. El agua bombeada llega al canal a través de una tubería de impulsión de PVC de diámetro 32 mm. En esta tubería de impulsión se encuentra una válvula que regula la cantidad de caudal de agua que va a ser impulsada desde el depósito hasta el canal. Al ser un circuito cerrado, el agua retorna de nuevo al depósito una vez que ha circulado por toda la longitud del canal. La instalación cuenta en la tubería de impulsión con un aparato de medida de caudal: caudalímetro electrónico (Marca KOBOLD, modelo MIK, rango de medición: de 8 a 160 l/min) (Figura 1.7). 5

6 Figura 1.6. Equipo de conducción libre (MCD, 2000) Figura 1.7. Caudalímetro electromagnético instalado en la tubería de impulsión que conduce el agua desde el depósito hasta el canal 6

7 1.3. Descripción de la actividad práctica propuesta En esta experiencia se trata de medir presiones p en distintas conducciones a presión para diferentes valores del caudal Q circulante en una red de tuberías a presión. El procedimiento a seguir en el panel de tuberías es el siguiente: (1) Puesta en marcha de la bomba del grupo hidráulico accionando el interruptor. (2) Establecimiento de la configuración deseada de la red de tuberías mediante la apertura y cierre de las válvulas de bola. (3) Selección de 3 puntos de la red de tuberías donde medir las presiones en los tramos 1, 8 y 14 (Figura 1.8 y Tabla 1). (4) Cálculo del caudal Q circulante por el sistema de tuberías, para una apertura determinada de la válvula de regulación, mediante la lectura h de la diferencia de presiones entre las tomas del diafragma (ecuación 1.2). (5) Lectura de presiones en los puntos seleccionados de la red de tuberías utilizando el manómetro que sea más conveniente en cada caso. (6) Establecimiento de una nueva posición de la válvula de regulación para tener caudales diferentes en la red de tuberías. (7) Anotación de las lecturas para cada apertura de la válvula de regulación para cada uno de los tramos de conducción seleccionados (Tabla 2). (8) Análisis y discusión de los resultados obtenidos. Si se utiliza el manómetro diferencial de mercurio, hay que tener en cuenta que al aplicar la ecuación general de la hidrostática entre los puntos (1) y (2) situados a la misma cota de un tramo cualesquiera del banco de ensayos se obtiene: p p 1 1 p p γ 2 2 = (γ = (d Hg Hg γ) h 1) h (1.2) siendo γ el peso específico del agua, γ Hg el peso específico del mercurio, d Hg la densidad relativa del mercurio (d Hg = 13.6) y h la diferencia de altura del mercurio entre las dos columnas del manómetro. En el caso del equipo de ensayos de una conducción libre, se van a medir los caudales Q que circulan por la tubería de impulsión para determinadas aperturas de la válvula de regulación así como los correspondientes valores de la altura de lámina de agua y en el canal. La anotación de las lecturas se hará en la Tabla 3. Se pretende que también se haga un análisis y discusión de los resultados obtenidos. 7

8 Tabla 1. Características de los tramos de tuberías propuestos para efectuar las mediciones en el panel de tuberías Tramos Diámetro exterior Diámetro interior Longitud Elementos singulares Válvula de bola y codo Válvula de bola Tramo 14 Tramo 8 Tramo 1 Figura 1.8. Tramos de tuberías seleccionados en la experiencia propuesta 8

9 Tabla 2. Lectura de datos en el panel de tuberías Diafragma Medida de presiones Tipo manómetro p 1 p 2 h = p 1 -p 2 Q (l/h) TRAMO 1 p 1 TRAMO 8 p 2 TRAMO 14 p 3 Tipo manómetro p 1 p 2 h = p 1 -p 2 Q (l/h) TRAMO 1 p 1 TRAMO 8 p 2 TRAMO 14 p 3 Tipo manómetro p 1 p 2 h = p 1 -p 2 Q (l/h) TRAMO 1 p 1 TRAMO 8 p 2 TRAMO 14 p 3 9

10 Tabla 3. Lectura de datos en el equipo de ensayos de conducciones libres Caudalímetro Q (l/min) Altura lámina de agua en canal y 10

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