Vent Il Adores

7/18/2019 Vent Il Adores

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Universidad IberoamericanaLaboratorio de operaciones unitarias

Medidores de flujo en gases

I. Objetivos

Comprender la importancia de los medidores de flujo en gases.

Comprender los principios de algunos medidores de flujo comunes en la industria.

Aprender las leyes de afinidad y la construcción de las curvas características

en.

Comparar los modelos teóricos con los experimentales.

II. Introducción

Medidores de flujo

La medición del flujo volumétrico es de suma importancia en el control de

procesos industriales, para ello existen aparatos diferentes para llevar a cabo

dicha medición. En esta práctica, se estudiarán cuatro tipos de medidores; tres

de ellos quedan dentro de la clasificación de medidores de cabeza variable, que

son: el Venturi, el tubo Pitot, y la placa de orificio, y uno más que perteneceal grupo de los dispositivos electrónicos: el anemómetro.

Venturi

Un medidor Venturi permite calcular la caída de presión entre dos puntos causado

por una reducción del diámetro del ducto por donde pasa el fluido. El medidor

consiste en una reducción cónica con un ángulo de 20 a 25°, una sección

cilíndrica de diámetro menor al ducto denominada garganta y la sección cónica

divergente con un ángulo de 5 a 7°.

Figura 1 Venturi

Tubo Pitot

El tubo Pitot es un instrumento utilizado para medir velocidad puntual o local;

consiste en dos tubos concéntricos colocados paralelamente al flujo, el tubo

interior tiene una apertura frente a la dirección del flujo, el tubo exterior

está perforado con pequeños orificios perpendiculares a la dirección de flujo,

ambos tubos están conectados cada uno a una rama de un manómetro diferencial

donde se mide la diferencia entre la presión estática y la dinámica. Esta

diferencia de presiones nos permite evaluar la velocidad del fluido en un punto

dado. Debido a que existe un perfil de velocidades a lo largo del radio del tubo,

se deben hacer mediciones en diferentes puntos, para obtener una velocidad

promedio.

Las ventajas del tubo pitot son: consume poca energía y es relativamente barato y

facilidad de instalación



Las Desventajas: precisión baja con gases y líquidos a baja velocidad y no es

recomendable para sólidos en suspensión

Figura 2

Tubo Pitot

Placa de orificio

El medidor de orificio es extremadamente simple, consiste en una placa con un

orificio concéntrico al ducto. La placa está colocada perpendicularmente a la

dirección del flujo y el fluido pasa a través del orificio, ésta también puede

ser utilizada para fijar el flujo a través de la tubería.

Figura 3 Placa de orificio

Anemómetro

Los anemómetros son utilizados principalmente para medir velocidades locales de

gases. Tienen una propela montada en un anillo abierto a través del cual fluye el

gas, y por medio de detectores magnéticos se conoce la velocidad.

Ventiladores

Para comprimir y mover gases, los equipos se pueden dividir en tres tipos

principales, de acuerdo a la diferencia de presiones con la que trabajan:

Ventiladores, Sopladores o turboventiladores (Blowers), y Compresores.

Los ventiladores trabajan a presiones bajas, por esta razón se desprecia el

efecto de compresibilidad del gas. La cabeza o presión de descarga varia entre 10

y 100 mmHg, aproximadamente.

En sopladores y compresores si existe compresión. En los sopladores la relación

de compresión (el cociente entre la presión de salida y la de entrada) suele ser

menor de 4 , razón por la cual la elevación de temperatura es baja y no requiere

proveerse de medios de refrigeración. Por el contrario los compresores alcanzanrelaciones de compresión de 10 o más y hay necesidad de enfriarlos mediante aire

o chaquetas con agua de enfriamiento.

Los principales usos de los ventiladores son para suministrar aire a calderas y

hornos, mover grandes volúmenes de gases a través de ductos (p.e. aire

acondicionado), suministrar aire para secado, transportar materiales suspendidos

en corrientes de gas, remover humo, forzar el flujo de aire en torres de

enfriamiento, etc.



Los ventiladores se clasifican de acuerdo a la dirección del flujo del gas de la

forma siguiente:

• Ventiladores de Flujo axial:

Aspas rectas o radiales.

• Ventiladores de Flujo radial:

Aspas curvas hacia atrás.

Aspas curvas hacia adelante.

En los ventiladores de flujo axial el gas fluye paralelo al eje de rotación, al

contrario de los centrífugos cuyo flujo es radial.

Los ventiladores de flujo radial se conocen también como ventiladores

centrífugos y además de clasificarse de acuerdo al tipo de aspas, se pueden

clasificar también en tres grupos dependiendo de la presión a la que operan

De baja presión (P <10³ N/m²)

De presión media (10³ < P < 3 x 10³ N/m²)

De alta presión (3 x 10³ < P < 104 N/m²)

La selección de un tipo particular de aspas depende de la capacidad requerida y

la concentración de sólidos en el gas.

Leyes de afinidad para ventiladores

Las leyes de afinidad para ventiladores son relaciones que permiten predecir el

comportamiento de un ventilador en operación a través de cambiar la velocidad

(RPM ), el tamaño del ventilador (T ) o la densidad del gas (ρ ) en la presión

de descarga (H), el consumo de potencia (Pwr ) o la capacidad del equipo (Q ) :

=

=

=

1

2

3

1

2

5

1

2

12

1

2

2

1

2

2

1

2

12

1

2

3

1

2

12

RPM

RPM

T

TBHPBHP

RPM

RPM

T

THH

RPM

RPM

T

TQQ

ρ

ρ ρ

ρ

Estas expresiones se pueden escribir para cambios en la velocidad de rotación

como:

3

1

2

12

2

1

2

12

1

2

12

RPM

RPMBHPBHP

RPM

RPMHH

RPM

RPMQQ

=

=

=

Y para cambios en la densidad del gas como:



=

=

=

1

2

12

1

2

12

12

BHPBHP

HH

QQ

ρ

ρ

ρ

ρ

III. Teoría

En la medición de la presión en cualquier punto de un sistema de transporte de

gas se tiene tres diferentes presiones que se relacionan de la forma siguiente:

PT = PE + PVDonde:

PT = Presión total.

PE = Presión estática.

PV = Presión Velocidad.

La presión estática es la fuerza que se ejerce contra la superficie de la pared

del ducto y como consecuencia puede explotar o colapsar un ducto si se rebasa sulímite de resistencia; es positiva cuando se encuentra por arriba de la presión

atmosférica y negativa cuando es por abajo de ésta. Generalmente se mide a partir

de un manómetro en “U” conteniendo algún líquido; las tomas de presión

generalmente se hacen en varias perforaciones perpendiculares al ducto, ubicadas

a distancias uniformes alrededor del ducto, con el objeto de obtener promedios.

Los diámetros de las perforaciones varían de 1/16” a 1/8”.

La presión velocidad es la presión que resulta por el movimiento de aire y

siempre es positiva, para la medición de la presión velocidad se utiliza un tubo

Pitot standard en donde la diferencia de presiones entre la presión de impacto y

la presión estática resulta ser la presión velocidad.

Venturi:

Al realizar un balance de energía mecánica para un fluido incompresible entre los

puntos 1 y 2 de la figura 1 y considerando que se encuentra en posiciónhorizontal se tiene:

∑++=+2

1

22

22

2

11

2gcD

Lfv

2gc

vP

2gc

vP punto

puntoρ ρ ....(1)

Donde:

P = Presión estática.

v = velocidad promedio.

gc = constante gravitacional.

Reordenando términos se llega a:

( ) ∑+−

=−2

1

2122

2

2

12gcD

Lfv2gc

PP2gcvv

punto

puntoρ ....(2)

Por el principio de conservación de masa:

v1A1= v2A2 ....(3)

Sustituyendo (3) en (1) y considerando que



y

se obtiene:

( )

1

2gcD

Lfv/PPgc2

v4

2

1

2

12

2 −

+−

=∑

β

ρ punto

punto

....(4)

Debido a que en esta práctica se trata un fluido compresible, se tiene que añadir

un factor que permite corregir el cambio de propiedades del fluido, debido a su

expansión, dado por la expresión siguiente :

k

k

r r

r r

24

4k 1)(k

2

1

1

1

1

1k

k y

⋅−

−⋅

−−

⋅−

⋅=−

β

β

Donde:

y = Factor de expansión (Se considera 1.0 para gases)

r = P2/P1 k = Cociente del calor específico Cp/Cv (1.4 para el aire a condiciones

de gas ideal)

Para cuantificar las pérdidas de presión y velocidad debido a la fricción del

fluido, se expresan estos términos como un coeficiente, llamado coeficiente del

venturi , el cual es determinado experimentalmente y cuyo valor es de

aproximadamente 0.98

( ) ( ) ∑+−

=− 2

1

21212

2gcD

LfvPPPPCv

punto

puntoρ ρ

por lo que, finalmente la ecuación (5) queda como:

( )[ ]

1

/PP2gcyCvv

4

12

2

−

−⋅⋅=

β

ρ ....(6)

donde:

β = Relación de diámetros entre las secciones 1 y 2 (0.5 para el equipo delaboratorio)

P1 = Presión antes de la expansión

P2 = Presión después de la expansión.

ρ = Densidad del fluidov2 = velocidad del fluido en la sección 2.

1

2

D

D=β

2

1

2

24

A

A

=β



Pitot

Planteando el balance de energía mecánica ente los puntos 1 y 2 de la figura (2)

y tomando en cuenta las consideraciones siguientes:

Z1 = Z2 = altura.

ρ1 = ρ2 = densidad.

v2 = 0 = velocidad en 2.

se obtiene:

∑+=+2

1

22

2

11

2gcD

LfvP

2gc

vP punto

puntoρ ρ ....(7)

Despejando la velocidad se obtiene:

( )

+−= ∑

2

1

2

1212gcD

Lfv/PP2gcv

punto

punto

ρ ....(8)

De la misma forma que en el Venturi, las pérdidas por fricción se pueden

relacionar con un coeficiente que en este caso se denomina Cp; por lo tanto la

ecuación (8) se expresa como:

( )

ρ 12

1

PP2gcCpv

−= ....(9)

El coeficiente para los tubo Pitot varían entre 0.98 y 1 dependiendo de su

diseño.

Placa de orificio

Teóricamente la velocidad en la vena contracta es la respuesta de la presión dad

por:

ρ

2gcPv =

La velocidad de la vena contracta es aproximadamente un 97.% de la calculada con

la ecuación anterior y su área es cerca de un 62% del área del orificio. Así, el

flujo medido con una placa de orificio de entrada es:

ρ

2gcPA0.9750.62Q ⋅⋅⋅=

en donde:

Q = flujo volumétrico.

A = área del orificio de entrada.

P = presión manométrica estática del gas.

Para tubos de otras formas como los que se muestran en la figura 4, se tienen

otros coeficientes de entrada; por ejemplo, en un tubo abocinado, figura a, el

coeficiente es de 0.98 ; en un tubo bridado, figura c, es de 0.82 y en un tubo

liso, figura e, el coeficiente es de 0.72.



Figura 4 Coeficientes de entrada típicos

Ventiladores Centrífugos.

El principio de operación de un ventilador centrífugo, es muy similar al de unabomba centrífuga. La presión desarrollada por un ventilador proviene de dos

fuentes: una es la fuerza centrífuga debida a la rotación de volumen de gas

encerrado en una carcaza y la otra es la velocidad impartida al gas por medio de

las aspas que se convierte parcialmente en presión debido a la forma de la

carcaza.

La fuerza centrífuga desarrollada por el rotor, produce una compresión la cual se

conoce como presión estática (PE); la cantidad de presión estática desarrollada

depende de la diferencia de presiones con la que el gas entra y sale de las

aspas. Por lo tanto, mientras más largas sean las aspas, mayor será la presión

estática desarrollada por el ventilador. Las eficiencias de un ventilador están

en el rango de 40 a 70 %.

La presión de operación es la suma de la presión total y la presión velocidad del

gas a la salida del ventilador. Las tablas de operación de ventiladores,

generalmente se encuentran referidas únicamente a la presión estática; esimportante tener presente esta consideración cuando se realiza la selección de un

ventilador.

La presión total de un ventilador se define como:

PTV = PTSALIDA - PTENTRADA

Donde:

PTV = Presión total del ventilador.



La presión de operación de un ventilador se define entonces por la expresión :

SALIDAVTVEV PPP −=

Donde:

PEV = Presión estática del ventilador o presión de operación.

Esta última expresión puede visulizarse mejor en las representaciones gráficasde la figura 5.

Sustituyendo la ecuación de PT que se encuentra en la introducción se tiene:

( ) ( )SALIDAVENTRADAVESALIDAVEEV PPPPPP −+−+=

Simplificando términos se obtiene la ecuación final:

ENTRADAVENTRADAESALIDAEEV PPPP −−=

Las anteriores presiones se determinan experimentalmente y se debe tener especial

cuidad en los signos ya que por lo general PESALIDA es generalmente positiva,

PEENTRADA es generalmente negativa y la PV es siempre positiva.

La cabeza o presión del ventilador se expresa como :

gasρ EVPH =

Figura 5 Presiones en un ducto y colector conectados a un ventilador.

Donde : H = Cabeza del ventilador.

ρ = densidad del fluido.

La cabeza del ventilador se relaciona con la potencia suministrada al fluido

por la expresión :

HmHP ⋅=



Donde:

HP = Potencia del ventilador o energía suministrada al fluido.

m = Gasto másico.

H = Cabeza del ventilador.

La eficiencia de la mayoría de los equipos para mover fluidos se determina por :

BHPHP=η

Donde :

η = es la eficiencia del equipo.BHP = es la potencial al freno (energía suministrada al equipo).

Las curvas de ventiladores centrífugos son muy similares a las curvas de bombas,

en las cuales se traza la respuesta del comportamiento del equipo, según se puede

observar en la Figura 6.

Figura 6 Efecto del cambio de velocidad en las curvas características de un

ventilador centrífugo típico

IV. Equipo

El equipó del laboratorio cuenta con lo siguiente:

Un motor de 2 HP de potencia

Un ventilador centrífugo de flujo radial con aspas curvas hacia adelante.

Un ducto con placas de orificio de diferentes diámetros a la entrada.

Un medidor venturi con manómetro diferencial.

Un medidor pitot con manómetro de agua.

Un medidor placa de orificio con manómetro diferencial.

Un manómetro diferencial para medir la presión estática antes y después del

ventilador.

Un variador de frecuencia para poder trabajar el equipo a diferentes

velocidades. 20-120 Hz.

Nota: Con el equipo del laboratorio se puede trabajar a un máximo de 65 Hz.

Para obtener las revoluciones por minuto se presenta la siguiente ecuación:

pruebaladeHz*60Hz

3400RPM *PoleasdeRelacion=RPM



La relación de poleas del equipo del laboratorio es de 0.667

V-. Procedimiento experimental

• Verificar que los manómetros se encuentren bien calibrados.

• Arrancar el ventilador con todas las placas de orificio puestas en orden

descendente, a una frecuencia de 60Hz.

• Medir todas las variables necesarias para el cálculo de gastos y PEV delventilador.

• En las mediciones del tubo Pitot y del anemómetro, tomar en cuenta que la

velocidad no es uniforme en toda el área transversal (Figura 7) por lo que es

indispensable realizar varias mediciones en diferentes puntos para obtener un

promedio de velocidades. A este conjunto de mediciones se le denomina la

traversa. Se sugiere llevar a cabo 6 mediciones.

• Quitar una a una todas la placas de orificio, midiendo todas las variables

necesarias con cada placa.

• Repetir el procedimiento con una frecuencia menor

• Apagar el ventilador.

• Medir los diámetros de los orificios de las placas

• Figura 7 Traversa típica de un tubo Pitot.

VI. Prelaboratorio

1-. ¿Qué variables se medirán durante la realización del experimento?

2-. ¿En la succión se obtendrán los mismos gastos másicos y volumétricos que en

la descarga? ¿ A qué pueden atribuirse las diferencias en caso de que las

hubiera?3-. ¿Cuál será la potencia desarrollada por el ventilador y cuál se le otorga al

fluido? ¿ Cómo se calcula la eficiencia por medio de estas?

4-. Si se deseara medir el flujo de una corriente de vapor que probablemente

tiene condensados y que además tiene fluctuaciones de gasto, ¿Qué medidor se

recomendaría y porqué?

5-. A partir de las curvas de ventiladores, ¿Qué variables se deben tomar en

cuenta para la elección de uno de estos equipos?

6-. Si se aumentan las revoluciones por minuto ¿Cómo varía el gasto y por qué?

7-. Si se disminuye el diámetro del rotor de un ventilador, ¿Qué sucede con la

presión de descarga y por qué?



VII. Reporte

1. Tabla de datos experimentales:Prueba No. 1

Revoluciones del motor Hz 50

Diámetro de la placa de

orificio

pulgadas 3 4 5 6

Potencia del motor WPE Placa de orificio in H2O

PV Tubo Pitot in H2O

PE Succión ventilador in H2O

PE descarga ventilador in H2O

/\P Venturi cm H2O

Lectura del anemómetro. m / s

Prueba No. 2

Revoluciones del motor Hz 40

Diámetro de la placa de

orificio

pulgadas 3 4 5 6

Potencia del motor W

PE Placa de orificio in H2O

Pv Tubo Pitot in H2O



PE Succión ventilador in H2O

PE descarga ventilador in H2O

/\P Venturi cm H2O

Lectura del anemómetro. m / s

2-. Calcular y reportar las tablas de todos los datos experimentales en unidades

de ingeniería: kgf/cm²,W, m etc.

3-. Calcular los gastos de los diferentes medidores (Incluir ejemplo de cálculo).

4-. Comparar los gastos obtenidos y obtener el promedio de los mismos.

5-. Completar una tabla como la siguiente para cada prueba y dar ejemplos de

cálculo.

Curvas de Ventiladores

Diam.

placa

Gasto

volum.

Gasto

másico

PE Cabeza Potencia BHP Eficiencia

in. m³ / seg kg / seg kgf /cm² kgf m /

kg

W W

3

4

5

6

6-. Trazar las curvas características del ventilado.

7-. Análisis de resultados y conclusiones.

8-. Mejoras propuestas y sugerencias.

VIII-. Bibliografía

ASHRAE (American Society of Heating Refrigerating Air Engineers ). Fundamentals

Handbook.

Ed. Boca Raton. 1988.

ACGIH. Industrial Ventilation. 20th Ed. American Conference of Govermental

Industrial Hygienists,

Cincinnati, 1988.

ALDEN J.L. Design of Industrial Exhaust systems. 2nd edition. The Industrial

Press. New York 1958

CRANE Co. Flow of Fluids through valves, fitting an pipe. Technical Paper No.

410. 14th impresion.

Crane Co. Chicago 1974.

FOUST A.S., et all. Principles of Unit Operations. 2nd. Edition. John Wiley & Sons

Inc. New York 1960.

McCABE W.L.AND SMITH J.C. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill.

New York

1965.

MUNSON B., OKIISHI T., DONALD Y. Fundamentals of Fluid Mechanics. 2nd. Edition.

John

Wiley & Sons Inc. New York 1994.

PERRY R. AND GREEN D.. Chemical Engineers Handbook. 6th. Edition. McGraw-Hill. New

York 1984.

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