UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTINESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA TERCERA PRÁCTICA DE LABORATORIO DE MEDICIONES Y ENSAYOS EN INGENIERÍA MECÁNICA MEDICION DE CAUDAL Y VELOCIDAD 1. OBJETIVO. Conocer las maneras de medición de velocidad, caudal y tener una referencia relativa de los instrumentos a utilizar. 2. INTRODUCCIÓN. El caudal es una variable de proceso básica como la temperatura y la velocidad, la medición de caudal se efectúa aplicando diversos procesos, en esta ocasión se usa un medidor de placa-orificio. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO. Definición de medición de caudal, velocidad: El estudio del movimiento de los fluidos o mediciones de caudal se puede realizar a través de la dinámica como también de la energía que estos tienen en su movimiento. Una forma de estudiar el movimiento es fijar la atención en una zona de espacio localizada, en este caso se emplea un caudalímetro de área constante usando un medidor de placa- orificio. En esta práctica además se hace uso de un tacómetro para la medición de revoluciones por minuto en motores eléctricos. Instrumentos para la medición de caudal, velocidad: Tipos de Medidores de Caudal Caudalímetros de Área Constante o Medidor placa orificio o Medidor de boquilla o tobera de flujo UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 2 o Medidor de Venturi Caudalímetros de Área Variable Caudalímetros Mecánicos o Caudalímetros de desplazamiento positivo De disco oscilante De pistón oscilante De pistón alternativo Caudalímetros rotativos Cicloidales Birrotor Medidores Ovales Otros Medidores de Caudal Volumétrico o Vortex o Electromagnéticos o Ultrasonidos o Coriolis Instrumentos para medir Velocidad Tacómetro o Tacómetro Mecánico o Tacómetro Óptico o Tacómetro Dual Mecánico-Óptico o Tacómetros Centrífugos o Tacómetros Eléctricos Tacómetro de Corrientes Parásitas Tacómetro de Corriente Alterna Tacómetro de Corriente Continua o Dinamo Tacométrica Tacómetro de Frecuencia o Frecuencímetro Anemómetro Tubo Pitot 4. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR. Banco de tuberías: Tuberías para flujo turbulento (agua) dispuestas de tal manera para hacer ensayos y mediciones además de pruebas de bombas en serie y paralelo. Medidor placa orificio: este tipo de caudalímetro se caracteriza por aprovechar el cambio entre el aumento de la energía cinética y la consecuente disminución de la presión. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 3 Manómetro de tubo en U: Instrumento de medición de presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Motores eléctricos: Maquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos electromagnéticos variables. Tacómetro: Dispositivos que mide la velocidad de giro de un eje, normalmente la velocidad de giro de un motor. Se mide en revoluciones por minuto (RPM). Actualmente se utilizan con mayor frecuencia los tacómetros digitales, por su mayor precisión. Tacómetros mecánicos: El tacómetro mecánico más utilizado es el típico controlador de revoluciones empleadas para medir localmente la velocidad de rotación de toda clase de máquinas o dispositivos giratorios. Este controlador consiste básicamente en un eje elástico determinado en punta que se apoya sobre el centro de la pieza giratoria. El eje elástico se mueve a través de un tren de engranes dos diales calibrados concéntricos. Cada división del día exterior representa una vuelta del eje giratorio mientras que el dial interior una división da una revolución del día exterior; conocido el tiempo de trabajo del contador, medido mediante un cronómetro, es fácil calcular la velocidad media en R.P.M. Los tacómetros centrífugos: se basan en el volante centrífugo clásico empleado inicialmente en las calderas del vapor. Dos pesos rotativos articulados a un eje giratorio aumentan su radio debido a la fuerza centrífuga y comprimen un resorte. La medida de la compresión del resorte leída en una escala representa la velocidad de giro del eje. La velocidad límite que pueden medir estos instrumentos es de más de 40,000 r.p.m., con una precisión de 1%. Estos aparatos pueden disponer de transmisión hidráulica o neumática. Tacómetros eléctricos: Los tacómetros eléctricos emplean un transductor que produce una señal análoga o analógica como conversión de la velocidad de giro del eje de la máquina. Existen tacómetros según los transductores. Tacómetro de corrientes parásitas: En el que el eje de la máquina hace girar un imán dentro de una copa de aluminio. El giro del imán induce corrientes parásitas en el aluminio que crean un par resistente proporcional a la velocidad. Un resorte frena el cabezal de aluminio quedando éste en una posición que se señala en un diodo. De éste modo funciona el tacómetro eléctrico empleado en un automóvil, en alimentación la máquina hace girar el imán permanente a través de un grupo UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 4 generador de motor síncrono, mientras que en la máquina del ferrocarril se utiliza un rotor que produce un campo magnético giratorio. El cambio de medida es de 0- 15,000 r.p.m. El tacómetro de corriente alterna: Consiste en un estator embobinado multipolar en el que el rotor de paso de imán y por lo tanto el giro en r.p.m. del eje de la máquina. El tacómetro de frecuencia o frecuencimetro: Mide la frecuencia de la señal de C.A. captada por transductores del tipo electromagnético, capacitivo u óptimo que dan impulsos cuyo número es proporcional a la velocidad de giro de la máquina. El transductor no tiene contacto mecánico con el eje rotativo. Rotámetro El rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficiente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio (para presiones bajas; y de metal para presiones altas) y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal. Placa orificio La placa de orificio es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concéntrico, , cualquier rebaba, ó distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición,. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos. 5. PROCEDIMIENTO. a. Caudalimetro UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 5 7.54 galones/min b. Placa orificio Placa orificio Presión 1 Presión 2 Diferencia de presiones 110 50 60 * error = ±2 mmHg Diámetro = 1,125 pulgadas D. de orificio = 0,5 pulgadas De formula caudal √ ( )√ Q= 0.000506 m 3 /s = 8.1 gal/min c. Rotámetro Lectura 1. 225 ± 25 litros/hora d. Análisis de datos Error relativo porcentual VB: valor bibliográfico (Caudalimetro) VE: valor experimental (Placa orificio) | | E= 7.42% MEDICION DE VELOCIDAD A. Tacómetro VELOCIDAD BIBILOGRAFICA DE LA PLACA DEL MOTOR: 3480 RPM 1. Motor eléctrico - Contacto : 3586 RPM - Óptico : 3576 RPM; 3578 RPM; 3581 RPM; 3581 RPM; 3584 RPM; 3580 RPM; 3578 RPM; 3574 RPM; 3574RPM; 3586 RPM; 3580 RPM MEDIA: 3579.3 RPM DESVIACION: 1.14 RPM 2. Eje del compresor - Óptico: 940.7 RPM; 938.9 RPM; 942.2 RPM MEDIA: 940.6 RPM UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 6 DESVIACION: 0.95 RPM 3. Esmeril angular Contacto: 8467 RPM 4. Datos de la placa: -Del motor eléctrico: 3480 RPM - Del esmeril Crown: 8500 RPM 5. Análisis de datos Error relativo porcentual VB: valor bibliográfico (Placas características) VE: valor experimental (Tacómetro contacto y visual) a. Motor eléctrico -Contacto E (%)= 3% -Óptico E (%)=2.7% b. Esmeril Crown -Contacto E (%)= 0.39% 6. CONCLUSIONES Tener en cuenta que los métodos de medición de caudal pueden ser utilizados en muchas aplicaciones tecnológicas y aplicaciones de la vida diaria. Reconocer que con la ayuda de esta medición se pueden diseñar equipos para aplicaciones específicas o hacerle mejoras a equipos ya construidos. Se observa también que la medición de velocidad es de vital importancia en el campo de un Ing. Mecánico. El método de placa orificio es un método rápido y económico (en comparación) aunque tiene una imprecisión alta. El tacómetro es una maquina precisa y permite el análisis del movimiento angular de ejes de manera rápida y económica que usualmente difiere de las placas características por las posibles rebobinaciones que haya podido tener 7. CUESTIONARIO UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 7 Explique en que consiste el método para medición de caudal por “medición salina”. El método de trazador de sal se utiliza para medir caudales en corrientes pequeñas como arroyos, riachuelos o quebradas. En las corrientes pequeñas se cuenta con valores de nivel o alturas cada 30 minutos que se toman automáticamente con los limnígrafos. Para convertir estos valores de nivel a caudal, se miden los caudales con este método en diferentes momentos de tal forma que se tomen valores a varios niveles de la corriente. ¿Hasta que valor de velocidad de rotación pueden medir un tacómetro mecánico-óptico como máximo? El rango del tacómetro en modo óptico es de 5 hasta 99.999 RPM, en tanto el rango del tacómetro en modo de contacto es de 0.5 hasta 19.999 RPM, ambos con una precisión de 0.05%, pudiendo variar a la distancia tomada con el modo óptico. ¿Por qué en algunos motores eléctricos la velocidad de rotación de placa no coincide con el valor medido por un tacómetro? Esto es debido a la diferencia que existe entre la velocidad de los campos del estator y la velocidad de giro del rotor, cuyo cociente es conocido como deslizamiento, es por eso que no siempre concuerda la velocidad medida con el tacómetro con la proporcionada del motor. Además de ello se cuenta con la velocidad que alcanza el motor entre el régimen estático y el régimen dinámico. ¿Qué ventajas y desventajas presenta utilizar el medidor de caudal tipo placa- orificio? Ventajas Utiliza una pequeña cantidad de material en la manufactura. El tiempo de maquinado es relativamente corto. El costo llega a ser comparativamente bajo. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 8 Es fácilmente reproducible. Es fácil de instalar y desmontar. Se consigue un alto grado de exactitud. Desventajas Es inadecuada en la medición de fluidos con sólidos en suspensión. No conviene su uso en la medición de vapores (se necesita perforar la parte inferior) El comportamiento en su uso con fluidos viscosos es errático pues la placa se calcula para una temperatura y una viscosidad dada. Produce las mayores pérdidas de presión en comparación con los otros elementos primarios. VENTAJAS DESVENTAJAS Pocas restricciones de instalación Rango limitado de medición Confiabilidad y simplicidad en el diseño No apto para flujos con partículas en suspensión Bajo costo Requiere verificación continua Sin piezas móviles Deterioro con el tiempo Buena precisión Alta pérdida de carga Fácil manejo Requiere longitud de tramo recto aguas arriba Sensible a la turbulencia aguas arriba Explique el funcionamiento del medidor de caudal tipo vertedero de Cipoletti También conocido como vertedero trapezoidal, esta estructura requiere que el talud de sus lados sea 1:4 tal como se señala en la figura. Este vertedero es de construcción más dificultosa que otros tipos. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA 9 √ √ Siendo: : Coeficiente de descarga para el vertedero rectangular con contracciones. : Coeficiente de descarga para el vertedero triangular. : Longitud de la cresta. : Angulo de inclinación de los lados respecto a la vertical. : Inclinación lateral. Pero para casos específicos: La ecuación sería: Es un vertedero como su nombre lo indica con forma trapezoidal en su abertura, también conocido como vertedero Cipolletti en honor a su inventor, el Ingeniero italiano Cesare Cipolletti. Cipolletti procuró determinar un vertedero que compensara el decrecimiento del caudal debido a las contracciones laterales por medio de las partes triangulares del vertedero, con la ventaja de evitar la corrección en los cálculos. Para estas condiciones, el talud será 1:4 (1 horizontal para 4 vertical). Este vertedero es de construcción más dificultosa que los dos anteriores, razón por la cual es menos utilizado.(Vertedero rectangular y triangular)