Práctica 4 Medición de Presión

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Universidad Nacional Experimental del Táchira Departamento de Ingeniería Mecánica Núcleo de Termofluidos Laboratorio de Mecánica de Fluidos (Código 0622502L) Práctica 4: Medición de presión Autor: Ing. Fernando González Revisión: Ing. Rubén Darío Omaña Ing. Alberto Sarcos TSU. Jorge Bedoya

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Mecanica de fluidos

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Universidad Nacional Experimental del Táchira Departamento de Ingeniería Mecánica Núcleo de Termofluidos

Laboratorio de Mecánica de Fluidos (Código 0622502L) Práctica 4: Medición de presión

Autor: Ing. Fernando González

Revisión:

Ing. Rubén Darío Omaña

Ing. Alberto Sarcos

TSU. Jorge Bedoya

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1 Objetivos

a) Definir el concepto de presión y las escalas absoluta y manométrica de medición.

b) Estudiar el funcionamiento de un manómetro de tipo Bourdon y de columna de líquido.

c) Estudiar el funcionamiento del banco calibrador a pesas.

d) Determinar el error de medición de un manómetro mediante el banco calibrador a pesas.

e) Generar vacío en un contenedor y medir la presión vacuométrica.

2 Marco teórico

2.1 Presión La presión es definida como el cociente de la fuerza normal ejercida por un fluido y el área donde actúa

dicha fuerza:

F

PA

(1.1)

En el Sistema Internacional (SI) la presión tendrá unidades de Newton sobre metro al cuadrado (N/m2)

que es denominada Pascal (Pa). En el sistema inglés de ingeniería se obtienen unidades de libras fuerza sobre

pie al cuadrado (Lbf/ pie2), sin embargo es más usada las libras fuerzas sobre pulgadas al cuadrado (Lbf/pulg2)

que se denomina psi (por sus siglas en inglés, pound per square inches). Otro tipo de unidad frecuente en la

industria es el kilogramo fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm2), la atmosfera (atm) y el bar.

2.2 Variación de la presión en un fluido estático La variación de la presión en un fluido está definida por la siguiente ecuación:

P g a (1.2)

En el caso de un fluido en reposo en donde la aceleración de la gravedad sea negativa con respecto a

un eje z, se tendrá que la presión varía según la ecuación de la hidrostática:

dP

gdz

(1.3)

Suponiendo la densidad y la aceleración de gravedad como una constante, la ecuación que permite

definir la presión dentro de un fluido en reposo es:

1 1P P g z z (1.4)

Si se considera un eje h (profundidad) en dirección contraria al eje z, la ecuación (1.4) puede plantearse

como:

1 1P P g h h (1.5)

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2.3 Presión absoluta y manométrica La presión absoluta es medida respecto al vacío absoluto. Debido a la dificultad de generar un vacío

perfecto, es difícil determinar de manera directa la presión absoluta de un fluido. Por otra parte, la presión

manométrica corresponde a la diferencia de presión absoluta que tiene un fluido y la presión atmosférica local

(presión ejercida por la atmosfera sobre cualquier lugar de la tierra); este tipo de presión es más fácil de

determinar, debido a que cualquier instrumento empleado en medir presión estaría sometido a la presión

absoluta del fluido en su parte interna, y estaría afectado por la presión atmosférica en su parte externa.

La relación entre la presión absoluta y la manométrica estaría definida por la siguiente ecuación:

Manométrica Absoluta AtmosféricaP P P (1.6)

De la ecuación anterior se puede inferir tres casos:

1. El fluido presenta una presión absoluta menor a la atmosférica, por lo tanto la presión

manométrica será menor a cero (negativa). En este caso se dice que el fluido tiene una presión

de vacío.

2. La presión absoluta es mayor que la presión atmosférica, por lo tanto la presión manométrica

es mayor que cero.

3. La presión absoluta es igual a la presión atmosférica, en este caso la presión manométrica es

cero.

En la Figura 1 se presenta gráficamente los dos primeros casos.

Figura 1: Representación gráfica de (a) una presión absoluta menor a la presión atmosférica local y su correspondiente presión manométrica que en este caso será de vacío y (b) una presión absoluta mayor a la presión atmosférica local, la presión manométrica correspondiente será positiva.

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2.4 Conversión de unidades A continuación se lista las conversiones de unidades de presión:

1 kPa = 1000 Pa (1.7)

1 Pa = 0.145 psi (1.8)

21 kg/cm = 14.22 psi (1.9)

21 lbf/ft = 144 psi (1.10)

1 bar = 14.5 psi (1.11)

1 atm = 101.325 kPa (1.12)

2.5 Medidores de presión

Los medidores de presión son denominados manómetros y existen múltiples clasificaciones de los

mismos, la norma COVENIN 2957-92 reúne varias clasificaciones según: el tipo de presión, la forma de

indicación, funcionamiento y precisión. En el laboratorio se van a estudiar dos tipos de manómetros los cuales

están en la clasificación de funcionamiento, el de líquido y el de deformación elástica, ambos están en la

clasificación de medidores de presión relativa (manométrica).

El primer manómetro a estudiar (según el orden a emplear en el laboratorio) es el de deformación

elástica de tipo Bourdon, el cual se muestra en la Figura 2 con todos sus elementos constitutivos.

El manómetro de Bourdon consta básicamente de un tubo de sección transversal elíptica (Tubo

Bourdon), el cual está doblado y sellado por uno de sus extremos. Cuando el fluido ingresa por la conexión

roscada ejerce una presión sobre la superficie interna del tubo Bourdon y trata de deformarlo, el movimiento

del extremo sellado del tubo se transmite al brazo articulado del órgano amplificador, el cual a su vez permite

el movimiento de una aguja indicadora. El movimiento de la aguja se compara en una escala que indicara la

presión del fluido estudiado.

Debido a que el tubo de Bourdon está sometido internamente a la presión del fluido y externamente a

la presión atmosférica, este tipo de manómetro es de presión relativa, es decir su medición corresponderá a

una presión manométrica.

La Figura 3 presenta el segundo tipo de manómetro a estudiar, éste es el diferencial de columna de

líquido, el cual consta de un tubo de vidrio en U, que contiene un líquido (en este caso es mercurio de densidad

13600 kg/m3). Un extremo del tubo está conectado al recipiente que se desea medir la presión, el otro extremo

está abierto a la atmósfera. La presión del tanque se puede calcular partiendo de la diferencia de altura del

líquido manométrico dentro del tubo en U. Empleando la nomenclatura de la Figura 3, la presión manométrica

puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

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1 2Manométrica Tanque Atmosférica HgP P P g h h (1.13)

La ecuación (1.13) está particularizada para el mercurio como fluido manométrico.

Figura 2: Figura de un manómetro diferencial de Bourdon. Tomado de la norma COVENIN 2333-93

Figura 3: Manómetro diferencial de columna de líquido conectado a un recipiente. En la figura de la izquierda se puede apreciar que la presión dentro del calderín es mayor a la presión atmosférica, mientras que la figura a la derecha muestra el mismo manómetro diferencial midiendo una presión de vacío.

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2.6 Banco calibrador a pesas El banco calibrador a pesas (Figura 4) es un dispositivo que permite encontrar el error de medición de

un manómetro Bourdon. Consta en esencia de un depósito de aceite que está conectado a un mecanismo de

cilindro-pistón y un conducto donde se instala un manómetro. Al colocar un peso en el plato portapesas se

genera una presión en el depósito (la presión será igual a la suma del peso del plato más el peso añadido

dividido entre el área del cilindro), esta presión será considerada como un valor nominal. Debido a que el

aceite del depósito se comporta como un fluido incompresible, la presión generada por el cilindro, debería ser

igual a la presión indicada por el manómetro sometido a estudio (lectura manométrica).

Si el manómetro no registra la misma presión se establece que el mismo presenta un error en la

medición.

Figura 4: Banco calibrador a pesas indicando sus partes constitutivas: 1) Plato porta pesas, 2) Nivel metálico de

referencia, 3) Pesas, 4) Aro porta manómetro, 5) Manómetro Bourdon, 6) Válvula de aguja del depósito de aceite y 7)

Volante.

En caso de presentarse un error de medición en el manómetro, se puede dar alguna de las siguientes

situaciones:

1) Errores constantes en toda la escala: El manómetro aún puede ser operativo, para obtener la

lectura correcta en este caso, deberá realizar la curva de calibración correspondiente.

2) Errores diferentes no mayores del 15%: Puede probarse nuevamente la calibración realizada,

ajustando bien sea la biela del manómetro o el tornillo de la cremallera. Si el error persiste

puede realizarse una curva de calibración para las lecturas correctas.

3) Errores diferentes mayores al 15%: Este tipo de error es causado por fatiga del material del

tubo de Bourdon y no se puede corregir, por lo que el manómetro deberá desecharse.

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2.7 Calderín El calderín consiste de un recipiente metálico el cual presenta dos válvulas y acople para un

manómetro de columna de líquido y para un manovacuómetro (instrumento que permite medir presiones

manométricas positivas y negativas o de vacío)

Figura 5: Calderín con los equipos e instrumentos de apoyo.

3 Procedimiento Experimental

3.1 Determinación del error de medición de un manómetro mediante el banco

calibrador a pesas

3.1.1. Instalación

a) Despeje la mesa de trabajo y limpie la superficie.

b) Proceda a ubicar el Banco calibrador a pesas en la mesa de trabajo, asegúrese de nivelar el

equipo, para ello deberá certificar que la burbuja de aire en el nivel (ubicado en la cara superior

del equipo) esté en el centro del circulo; en caso de no estar nivelado deberá ajustar los

tornillos de apoyo del equipo (ubicados en la base del mismo).

Una vez instalado el equipo es necesario extraer el aire que puede estar presente en el depósito de

aceite, para ello se sigue el siguiente procedimiento:

c) Cubra con la palma de la mano el aro porta-manómetro.

d) Gire la válvula de aguja del depósito de aceite en sentido anti-horario (2 vueltas)

e) Gire el volante en sentido anti-horario hasta que se alcance el tope del mismo.

f) Cierre la válvula de aguja del depósito.

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g) Quite la palma de la mano del aro porta-manómetro.

h) Gire el volante en sentido horario, hasta que el aceite salga por el aro porta-manómetro. (No

más de 3 vueltas).

i) Proceda a instalar el manómetro. Si la aguja del manómetro sufre alguna desviación en la

escala, es necesario abrir la válvula para liberar presión y luego proceder a cerrarla.

3.1.2. Ensayo experimental

a) Registre el rango y apreciación del manómetro instalado.

b) Instale en el plato porta-pesas, una presión nominal adecuada al rango del manómetro.

c) Proceda a girar el volante en sentido horario, lenta y constantemente, hasta que el plato porta-

pesas suba hasta la mitad aproximadamente de entre las dos marcas que indica el nivel

metálico.

d) Registre el valor de la presión manométrica y el valor de la presión nominal.

e) Para realizar más pruebas es necesario abrir la válvula del depósito de aceite y extraer el

volante e incrementar la presión nominal (aumentando el peso instalado en el portapesas),

finalmente se debe cerrar la válvula del depósito y repetir el procedimiento desde el punto c).

f) Una vez realizadas todas las pruebas, deberá abrir la válvula del depósito de aceite, extraer el

volante y desinstalar el manómetro.

3.2 Determinación del error de medición de un manovacuómetro mediante el

calderín

3.2.1. Instalación

a) Despeje la mesa de trabajo y limpie la superficie.

b) Determine la unidad de medición del manovacuómetro instalado en el calderín y su escala

máxima y mínima.

c) Abra las dos válvulas del calderín.

d) Proceda a introducir aproximadamente 250ml de agua en el calderín.

e) Conecte la hornilla eléctrica a la red eléctrica y coloque su regulador al máximo.

f) Proceda a ubicar el calderín en la hornilla eléctrica con las válvulas abiertas.

3.2.2. Ensayo experimental 1: Operación del manovacuómetro para presiones

positivas.

a) Una vez que comience a salir vapor de agua por las válvulas proceda a cerrarlas.

b) Cuando el manovacuómetro indique 0.1bar (Presión manométrica) proceda a leer y registrar

las alturas h1 y h2 de la columna de mercurio del manómetro diferencial. (Con estas alturas

deberá calcular la presión nominal)

c) Repita el paso b) cada 0.1bar hasta un máximo de 0.5bar.

3.2.3. Ensayo experimental 2: Generación del vacío en el calderín

a) Una vez alcanzada la presión de 0.5bar se debe apagar y desconectar la hornilla eléctrica.

b) Abrir la válvula horizontal completamente y esperar que la presión descienda hasta

aproximadamente cero y proceder a cerrar la válvula inmediatamente. (PRECAUCIÓN: Se debe

verificar que no está alguna persona en la línea de salida del vapor).

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c) Introduzca el calderín en un recipiente con agua a temperatura ambiente y espere hasta que se

alcance el equilibrio térmico. Observe como en la medida que se enfría el calderín, la aguja del

manovacuómetro registra medidas de presión de vacío.

Nota: Observe que inicialmente se tiene agua a una temperatura ambiente y presión

atmosférica, los procesos termodinámicos involucrados para la generación de vacío fueron:

1) Calentamiento a presión constante hasta la zona de mezcla (ambas válvulas están

abiertas).

2) Calentamiento a volumen constante (cuando ambas válvulas están cerradas).

3) Extracción de masa (Instante en donde se deja escapar el vapor).

4) Enfriamiento a volumen constante hasta la temperatura ambiente.

3.2.4. Ensayo experimental 3: Medición de error del manovacuómetro

a) Registre el valor de presión del manovacuómetro (Presión manométrica), y las alturas h1 y h2

del manómetro diferencial de líquido (Presión nominal).

b) Abra muy lentamente la válvula horizontal hasta que el manómetro registre una presión de -

0.7 bar (0.7 bar de presión de vacio) y vuelva a registra este valor y las alturas de la columna de

líquido.

c) Proceda a repetir el paso anterior hasta obtener valor de presión de -0.6, -0.5, -0.4, -0.3, -0.2 y -

0.1bar de presión.

Page 10: Práctica 4 Medición de Presión

Práctica 4: Medición de presión i

4 Post-laboratorio Equipo:

Integrante (s)

Determinación del error de medición de un manómetro mediante el banco calibrador a pesas

a) Datos del manómetro

Unidad de medición

Máximo valor de escala

Apreciación

Desviación inicial

b) Datos del experimento

PNominal PManométrica ErrorPorcentual

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Ensayo 4

Ensayo 5

Ensayo 6

Ensayo 7

Ensayo 8

Ensayo 9

Ensayo 10

Promedio de error

100%Nominal Manométrica

Porcentual

Nominal

P PError

P

c) Observaciones:

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Práctica 4: Medición de presión ii

Determinación del error de medición de un manovacuómetro mediante el calderín

a) Datos del manómetro

Unidad de medición

Máximo valor de escala

Apreciación

Desviación inicial

Ensayo 1: Determinación del error de medición de un manovacuómetro

b) Datos del experimento: Presiones mayores a la presión atmosférica

PManométrica (bar) PManométrica (Pa) h1 (m) h2(m) PNominal (Pa) ErrorPorcentual

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Promedio de error

c) Observaciones:

Ensayo 2: Generación de vacío en el Calderín

Indique y represente los procesos termodinámicos presentes en el calderín que permiten generar vacío

Page 12: Práctica 4 Medición de Presión

Práctica 4: Medición de presión iii

a) Procesos:

Ensayo 3: Determinación del error de medición de un manovacuómetro

a) Datos del experimento: Presiones de vacío

PManométrica (bar) PManométrica (Pa) h1 (m) h2(m) PNominal (Pa) ErrorPorcentual

-0.7

-0.6

-0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

Promedio de error

b) Observaciones:

Conclusiones:

Recomendaciones:

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