Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I

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1 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 1 República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Instituto Universitario de Tecnología Alonso Gamero Laboratorio de Procesos Químicos Operaciones Unitarias I PRÁCTICA MEDIDORES DE FLUJO (FLUJOS LÍQUIDOS) OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA: - Reforzar Los Conceptos Teóricos. - Analizar Experimentalmente el Comportamiento de los Medidores Venturí y Rotámetro. - Indicar la Exactitud Comparativa de estos Dispositivos en la Medida de Flujo. - Determinar el coeficiente de descarga del Venturí (Cv). - Calibrar un Rotámetro. - Realizar cálculos y gráficos respectivos. FUNDAMENTOS TEÓRICOS: MEDICIÓN DEL FLUJO DE FLUIDOS. Para el control de los procesos industriales, es esencial conocer la cantidad de material que entra y sale del proceso. Puesto que los materiales se transportan en forma fluida, siempre que sea posible, se requiere medir la velocidad con la que un fluido circula a través de una tubería u otra conducción. En la industria se utilizan muchos tipos diferentes de medidores. La selección de un medidor se basa en la aplicabilidad del instrumento a un problema específico, su costo de instalación y de operación, el intervalo de la velocidad de flujo a la que puede adaptarse (su capacidad de alcance), y su exactitud inherente. A veces una indicación aproximada de la velocidad de flujo es todo lo que se necesita; otras veces una medición sumamente exacta, normalmente de la velocidad de masa de flujo, se requiere para propósitos como controlar la alimentación de un reactor o transferir el resguardo del fluido de un propietario a otro. Algunos tipos de medidores de flujo miden la velocidad volumétrica másica de flujo directamente, pero la mayoría mide esta velocidad o la velocidad media del fluido, a partir de la cual puede calcularse la velocidad volumétrica de flujo. Para convertir la velocidad volumétrica a la velocidad de flujo másica se necesita que la densidad del fluido bajo las condiciones de operación sea conocida. Muchos medidores operan sobre todo el fluido dentro de la tubería o conducto y se conocen como medidores de perforación total. Otros, llamados medidores de inserción,

2 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 2 miden la velocidad de flujo, o más común la velocidad del fluido, en un solo punto. Sin embargo, la velocidad total de flujo a menudo se infiere con exactitud considerable a partir de un solo punto de medición. Medidores de perforación total. Los tipos más comunes de medidores de perforación total son los medidores venturí, los de orificio y los de área variable tales como los rotámetros. Otros aparatos de medición de perforación total incluyen los medidores de elemento-v, magnético, vórtice de derramamiento, turbina y de desplazamiento positivo; medidores ultrasónicos; y equipos de flujo másico tales como medidores de flujo Coriolis. Medidor Venturí En la figura se muestra un medidor venturí. Una pequeña sección de entrada cónica conduce a una sección de garganta, y ésta a un largo cono de descarga. Las tomas de presión al inicio de la sección de entrada y en la garganta están conectadas a un manómetro o transmisor de presión diferencial. En el cono de corriente de entrada, la velocidad del fluido aumenta y disminuye su presión. La caída de presión en este cono se utiliza para medir la velocidad de flujo. En el cono de descarga la velocidad disminuye y la presión original se recupera ampliamente. El ángulo del cono de descarga se hace pequeño, entre 5 y 15, para evitar la separación de la capa límite y minimizar la fricción. Debido a que no existe separación en una sección transversal contractante, el cono de corriente de entrada puede hacerse más corto que el cono de corriente de salida. En general, 90 por ciento de la pérdida de presión en el cono de corriente de entrada se recupera. Aunque los medidores venturí pueden utilizarse para la medición de las velocidades de flujo del gas, éstos son más comúnmente empleados para líquidos, en especial cuando se trata de flujos grandes de agua, donde debido a las grandes presiones recuperadas, el venturí requiere menos potencia que otros tipos de medidores. Medidores de área: Rotámetros En los medidores de orificio, de boquilla y de venturí, la variación de la velocidad de flujo a través de un área constante genera una caída de presión variable, que está relacionada con la velocidad de flujo. Otro tipo de medidores, llamados medidores de área, son equipos en los que la caída de presión es constante, o casi, mientras que el área a través de la cual circula el fluido varía con la velocidad de flujo. Mediante una adecuada calibración, se relaciona el área con la velocidad de flujo. El medidor de área más importante es el rotámetro, que se muestra en la figura. Consta de un tubo cónico

3 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 3 de vidrio, que se instala verticalmente con el extremo más ancho hacia arriba. El fluido asciende a través del tubo cónico y mantiene libremente suspendido a un flotador (que en realidad no flota sino que está sumergido por completo en el fluido). El flotador es el elemento indicador, y cuanto mayor es la velocidad de flujo, mayor es la altura que alcanza en el tubo. Toda la corriente del fluido tiene que circular a través del espacio anular que existe entre el flotador y la pared del tubo. El tubo está graduado y la lectura del medidor se obtiene de la escala con el borde de lectura del flotador, que corresponde a la mayor sección transversal del mismo. Se requiere de una curva de calibración para convertir la lectura de la escala en velocidad de flujo. Los rotámetros se utilizan tanto para la medida del flujo de líquidos, como para gases. El calibre del tubo de vidrio del rotámetro está formado con exactitud, es perfectamente cónico truncado o puede estar provisto de tres bordes o estrías paralelas al eje del tubo. El tubo que se muestra en la figura es un tubo cónico truncado. En los primeros rotámetros, un ángulo con entalladura en la parte superior del flotador lo hacía rotar, pero el flotador no rota en muchos diseños actuales. Para líquidos opacos, temperaturas o presiones elevadas o en otras condiciones en las que no es posible utilizar vidrio, se emplean tubos metálicos. Medidores de Flujo: Los medidores más ampliamente utilizados para la medida de flujo son los diferentes tipos de medidores de carga variable y los de área variable: Los medidores de carga variable comprenden los medidores de Venturí, los de orificio y los tubos Pitot. Los medidores de área variable comprenden los diferentes tipos de rotámetros; estos se usan para determinar k cantidad de fluido que ha pasado por el sistema. Tubo Venturí: Los venturímetros pueden aplicarse para medidas de gases, se utilizan con mayor frecuencia para medidas de líquidos, especialmente agua. Coeficiente de Venturí: Introducción del factor Cv (Coeficiente de descarga de Venturí) Coeficiente Empírico. Este es aplicable solamente al flujo sin fricción de fluidos no comprensibles. El coeficiente Cv, se determina experimentalmente sin incluir la velocidad de aproximación. Este depende de la localización de la ramificación del manómetro.

4 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 4 Flujo Volumétrico: La velocidad del flujo volumétrico se obtiene dividiendo la velocidad de flujo de masa por k densidad. Flujo Másico: La velocidad de flujo de masa se calcula sustituyendo el valor de Vb de k ecuación de continuidad. Placa o Medidor de Orificio: El fundamento del medidor de orificio, es idéntico al de tubo Venturí. La disminución de la sección transversal de la corriente al pasar a través del orificio, aumenta la carga de la velocidad a expensas de la carga de presión y la disminución de presión entre las tomas se mide mediante un manómetro. La ecuación de Bernoulli permite correlacionar el aumento de k carga de velocidad, con la disminución de la carga de presión. Es una placa que va a tener un orificio por k en el cual pasa el fluido cuando viene de una tubería normal. La h permite medir la Pa y Pb del manómetro la ecuación se deduce de la misma manera que el tubo Venturí, por lo que se saca directamente y solo se cambia Cv por Co. Coeficiente de Orificio (Co): Velocidad de aproximación no incluida. Sirve para corregir la contracción de chorro de fluido entre el orificio y la vena contracta, la fricción, Aa y Ab. Co, se determina siempre experimentalmente variando considerablemente, al variar B y el número de Reynolds es el orificio Nreo. Flujo de Fluidos Comprensibles a través de Tubos Venturí y Orificios: Se les introduce el factor "Y"; este es un factor de expansión adimensionales y "δ1" es la densidad de fluido para las condiciones existentes aguas arribas. Este factor se busca por medio de gráficos, dependiendo del factor. Boquilla de Flujo: La deducción es la misma que las anteriores pero cambiando el coeficiente; por lo que este será igual Cb. Si la boquilla está bien diseñada el coeficiente va a ser aproximadamente igual a uno (1). Tubo Pitot: Es un aparato que sirve para medir la velocidad local a lo largo de una línea de corriente. Es considerada una onda de sonido. Rotámetro: Son aparatos en que la caída de presión es constante, o prácticamente constante, mientras que el área a través de la cual circula el fluido varia con la velocidad de flujo. Este es un medidor de flujo que permite que el fluido ascienda a través de la posición de equilibrio del tubo, mediante la compensación de tres fuerzas: 1) El peso del flotador, "fuerza de gravedad". 2) La fuerza de flotación del fluido sobre el flotador. 3) La fuerza del rozamiento sobre el flotador. La fuerza 1 actúa hacia abajo mientras que las fuerzas 2 y 3 lo hacen hacia arriba. En el equilibrio.

5 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 5 MATERIALES Y EQUIPOS: Tubo de Venturí en el banco de fricción. Rotámetro. Manómetro Cronómetro Termómetro Agua en una línea de tubería anexa a los equipos medidores. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: En primer lugar se abre la válvula de paso de agua a la tubería. Luego se enciende la bomba, ocasionando la recirculación del fluido. Posteriormente se abren las válvulas para las caídas de Presión. Por último se manipula la válvula que permite las diferenciales de altura, para obtener ks diferenciales de Presión. El caudal es tomado directamente en el tanque a través de k siguiente ecuación: Q = K x H 5/2 Se recomienda el equilibrio antes de tomar (H) altura en el tanque. Tomar (8) lecturas. (K= 0,105). CALIBRACIÓN DEL ROTÁMETRO: Hacer mediciones de volumen para un tiempo de 15 a 20 segundos. Se recomienda hacer (8) lecturas, esperando un minuto para cada cambio del flotador dentro del rotámetro. BIBLIOGRAFÍA Antonio Creus. Instrumentación y Control. Douglas Casidini. Manual de Instrumentación Tomo I. Arthur Hansem. Mecánica de los Fluidos. Mc Cabe; Smith. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química 1) Av= CÁLCULOS Y ECUACIONES: Л x Dv 2 Donde: Av= Área de la garganta del Venturí. 4 Л = Pi = 3,14 2) Dv β= Donde: β =Relación de diámetro. Dt= 31,8 mm Dt Dv= 15,3 mm

6 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 6 3) P= H x (Þ Hg Þ H 2 O) Donde: P= (Kgf/m 2 )= diferencial de presión ÞHg y ÞH 2 O = son pesos específicos a temperatura de práctica en Kgf/m 3 4) Q = K x H 5/2 (m 3 /seg) 5) Cv = Q x 1- β 4 Av x 2g c x P / ρh 2 O 6) V = (2 x g c x P / ρh 2 O) 1/2 = m/seg Donde: g c = 9,81 Kg x m Kgf x seg 2 7) ṁ = ρ x Q (Kgm/seg) Donde: ṁ = Flujo másico 8) NRe = 4 x ṁ Л x µ x Dv Donde: NRe=Número de Reynolds a través del venturí. 9) Ẇ = 0,10 x P x Q (Kgf x m / seg) Donde: Ẇ = potencia consumida. 10) Cv = Cv N Donde: Cv = Promedio 11) Cv (promedio) - Cv (teórico) % E = Cv (teórico) Determinar: Viscosidad Absoluta y Densidad del Agua

7 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 7 Gráficas: P (Kgf/m 2 ) Vs Q (m 3 /seg) Q (m 3 /seg Vs V (m/seg) Cv Vs NRe Ẇ Vs Q Vs Q m 3 /h (Rotámetro) Datos para Graficar Lectura P (Kgf/m 2 ) V (m/seg) Ẇ (Kgfx /Seg) ṁ (Kgm/seg) NRe Cv Q m 3 /seg Q (Rot) m 3 /h