INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y BIOQUIMICA

LABORATORIO INTEGRAL I

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y PRACTICA No.-3: DETERMINACION EXPERIMENTAL DEL NUMERO DE REYNOLDS BIOQUIMICALABORATORIO INTEGRAL ICATEDRTICO: ING. ANGEL GILDARDO CASTEDA LOPEZ PRACTICA No.-4: DETERMINACION DE LA LONGITUD EQUIVALENTE EN ACCESORIOS ALUMNO: KAROI JAVIER GONZALEZ RENDON CATEDRTICO: ING. ANGEL GILDARDO CASTEDA LOPEZ ALUMNO: KAROI JAVIER GONZALEZ RENDON NUMERO DE CONTROL: 09161060 NUMERO DE CONTROL: 09161060 FECHA 2012 FECHA DE ENTREGA: 02 DE MARZO DEDE ENTREGA: 20 DE MARZO DE 2012

15 DE FEBRERO DEL 2012 LABORATORIO INTEGRAL I

LABORATORIO INTEGRAL I Hewlett-Packard 20 DE MARZO DE 2012

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACAMARCO TEORICOA lo largo de las diversas prcticas que se han realizado, muchos han sido los accesorios que se utilizaron y en la prctica que a continuacin se desarrolla se analizaran los medidores de presin diferencial, y particularmente el tubo Venturi y la placa de orificio. Cuando la direccin del flujo se altera o distorsiona, como ocurre en accesorios como serpentines, codos o a travs de reducciones y vlvulas, se producen perdidas de friccin que no se recuperan. Esta energa se disipa en remolinos y turbulencias adicionales y se pierde en forma de calor. Las perdidas en los accesorios son proporcionales a la velocidad y una forma de calcular dichas prdidas es por la longitud equivalente. Los medidores de flujo de tipo diferencial son los ms comnmente utilizados, entre ellos podemos mencionar la placa de orificio, el tubo Venturi, el tubo Pitot, la tobera y el medidor de impacto. Estos miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presin diferencial por medio de una obstruccin al flujo y estn constituidos generalmente por dos componentes: el elemento primario, el cual obstruye el flujo, generando la cada de presin, y el elemento secundario que mide dicha cada. El efecto Venturi consiste en que la corriente de un fluido dentro de un conducto cerrado disminuye la presin del fluido al aumentar la velocidad cuando pasa por una zona de seccin menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiracin del fluido contenido en este segundo conducto. Este efecto recibe su nombre del fsico italiano Giovanni Batista Venturi. El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la seccin disminuye, necesariamente la velocidad aumenta. Por el teorema de conservacin de la energa, si la energa cintica aumenta, la energa determinada por el valor de la presin disminuye forzosamente. Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi, sin embargo en esta prctica se utilizo para determinar la diferencia de presin existente entre los dos punto de este tubo. Por otro lado, la placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubera, el orificio que posee es una abertura cilndrica o prismtica a travs de la cual fluye el fluido. El orificio es normalizado, la caracterstica de este borde es que el chorro que ste genera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presin diferenciales. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta presin diferencial. Puede utilizarse para todo caudal permanente de fluido limpio, ya sea lquido, vapor o gases en el campo de fluidos turbulentos normales para los cuales el nmero de Reynolds alcanza un valor superior a las 5000 unidades. Con las placas de orificio se producen mayores prdidas de presin; antes y despus de la placa se mide la prdida total de presin sin recuperacin total. 2

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACAOBJETIVOConocer las prdidas de energa por friccin en accesorios (Tubo Venturi y placa de orificio) obteniendo el criterio necesario para interpretar y hacer uso de las tablas que se encuentran en bibliografa que expresan est perdida como longitud equivalente. Es muy importante la estimacin de la cada de presin en un sistema dado al variar las condiciones de flujo, para lo cual se utiliza la informacin de bibliografa para calcular la longitud equivalente en el Tubo Venturi y la placa de orificio.

MATERIAL, EQUIPO Y REACTIVOSMATERIAL CRONOMETRO PROBETA DE 1 L EQUIPO MODULO DE FLUIDOS ( LINEA 1 ) TUBO VENTURI PLACA DE ORIFICIO REACTIVOS

PROCEDIMIENTO Se lleno el tanque tres cuartas partes de su capacidad, se abrieron todas las vlvulas del modulo de fluidos y se encendi la bomba de tal modo que se purg el equipo. Despus de haberlo purgado, se cerraron todas las vlvulas de las lneas con excepcin de la vlvula de la lnea 1, se deseaba conocer en este caso cuantas vueltas son necesarias para estar totalmente abierta. Despus se empezaron a realizar tomas de las cadas de presin a las aberturas requeridas de la vlvula, se realizaron dos mediciones por cada abertura. Una vez estabilizada la cada de presin se midieron durante un tiempo considerado el volumen del fluido y as se determinaron los gastos correspondientes. CALCULOS1.

Calcular el gasto volumtrico CALCULO DE GASTOS EN TUBO VENTURI

ABERTURATOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA

VOLUMEN (L)4.800 L 3.890 L 4.450 L 3.570 L

TIEMPO (s)3.695 s 3.200 s 3.245 s 3.250 s

GASTO (Q= Q= Q= Q=

)

= 1.210 L/s

3

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACACALCULO DE GASTOS EN PLACA DE ORIFICIO ABERTURATOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA 2.

VOLUMEN (L)3.260 L 4.250 L 3.435 L 3.000 L

TIEMPO (s)2.560 s 3.530 s 3.555 s 3.560 s

GASTO (Q= Q= Q= Q=

)

= 1.273 L / s = 1.203 L /s = 0.9662 L/ s =0.842 L/s

Calcular la velocidad en el tubo (v= Gv/A)

Considerando el dimetro de la lnea uno como 1.5 plg (3.81 cm 0.0381 m), el rea de la seccin transversal es igual a: ( )2

CALCULO DE VELOCIDADES EN TUBO VENTURIABERTURATOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA

GASTO (0.001210 0.001215 0.001371 0.001098

)

CALCULO

VELOCIDAD (1.0614 1.0657 1.2026 0.9361

)

CALCULO DE VELOCIDADES EN PLACA DE ORIFICIO ABERTURATOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA

GASTO (0.001273 0.001203 0.000966 0.000842

)

CALCULO

VELOCIDAD (1.1166 1.0552 0.8473 0.7385

)

4

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA3. Calcular las cadas de presin p Las cadas de presin fueron tomadas con los manmetros de Mercurio ubicados en los extremos del accesorio correspondiente. DIFERENCIA DE DE PRESION EN EL TUBO VENTURI

ABERTURATOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA

h ( cm de Hg )9.650 cm de Hg 9.500 cm de Hg 9.300 cm de Hg 8.200 cm de Hg

DIFERENCIA DE DE PRESION EN LA PLACA DE ORIFICIO

ABERTURATOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA

h ( cm de Hg )10.600 cm de Hg 10.200 cm de Hg 9.800 cm de Hg 8.800 cm de Hg

(

(

)

(

))

Y considerando a

=1

p de 1m de tubo = 1 m (13600 kg/m3 998 kg/m3) =12602 kg/m2CALCULO DE CAIDAS DE PRESION PARA TUBO VENTURI P ABERTURA TOTALMENTE ABIERTA P MANOMETRICA P = (0.096 m) (12602 kg/m ) = 2 1157.95 kg/ m P = (0.095 m) (12602 kg/m ) = 2 1145.89 kg/ m P = (0.093 m) (12602 kg/m ) = 2 1121.76 kg/ m P = (0.0820 m) (12602 kg/m ) = 2 1033.36kg/ m3 3 3 3

P DEL ACCESORIO P = (12602 1157.95) = 11444.05 2 kg/ m P = (12602 1145.89) =11456.11 2 kg/ m P = (12602 1121.76) = 11480.24 2 kg/ m P = (12602 1033.36) = 11568.64 2 kg/ m

ABIERTA

ABIERTA

ABIERTA

5

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACACALCULO DE CAIDAS DE PRESION PARA PLACA DE ORIFICIO P ABERTURA TOTALMENTE ABIERTA P MANOMETRICA P = (0.1060 m) (12602 kg/m ) = 2 1335.81 kg/ m P = (0.1020 m) (12602 kg/m ) = 2 1285.40 kg/ m P = (0.0980m) (12602 kg/m ) = 2 1234.99 kg/ m P = (0.0880 m) (12602 kg/m ) = 2 1108.97 kg/ m3 3 3 3

P DEL ACCESORIO P = (12602 1335.81) = 11266.19 2 kg/ m P = (12602 1285.40) = 11316.6 2 kg/ m P = (12602 1234.99) = 11367.01 2 kg/ m P = (12602 1108.97) = 11493.03 2 kg/ m

ABIERTA

ABIERTA

ABIERTA

4. Calcular la Longitud Absoluta Equivalente para esta lnea Teniendo el siguiente diagrama de flujo donde se consideran las longitudes del tubo y accesorios ubicados en la lnea:

44cm

94cm

27cm

U

U

La longitud del tubo sin considerar los accesorios es igual a 1.65 m Leq de la lnea =

CALCULO DE LONGITUDES EQUIVALENTES PARA TUBO VENTURI ABERTURA P DEL ACCESORIO LONGITUD EQUIVALENTE DEL TUBO VENTURI LONGITUD EQUIVALENTE DE LA LINEA

TOTALMENTE ABIERTA

11444.05

kg/ m

2

Leq = 1.4983 m

=

1.4983 + 1.65 = 3.1483 m 1.4999 + 1.65 = 3.1499 m 1.5031 + 1.65= 3.1531 m 1.5147 + 1.65 = 3.1647 m

ABIERTA

11456.11

kg/ m

2

Leq = 1.4999 m

=

ABIERTA

11480.24

kg/ m

2

Leq = 1.5031 m

=

ABIERTA

11568.64

kg/ m

2

Leq = 1.5147 m6

=

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CALCULO DE LONGITUDES EQUIVALENTES PARA PLACA DE ORIFICIO ABERTURA P DEL ACCESORIO LONGITUD EQUIVALENTE DE PLACA DE ORIFICIO LONGITUD EQUIVALENTE DE LA LINEA

TOTALMENTE ABIERTA

11266.19

kg/ m

2

Leq = 1.4751 m

=

1.4751 + 1.65 = 3.1251 m 1.4817 + 1.65 = 3.1317 m 1.4883 + 1.65 = 3.1383 m 1.5048 + 1.65 = 3.1548 m

ABIERTA

11316.6

kg/ m

2

Leq = 1.4817 m

=

ABIERTA

11367.01

kg/ m

2

Leq = 1.4883 m

=

ABIERTA

11493.03

kg/ m

2

Leq = 1.5048 m

=

5.

Calcular las longitudes relativas Considerando el dimetro de la tubera recta como 38.1 mm a. Longitud equivalente de Tubo Venturi

CALCULO DE LONGITUDES RELATIVAS PARA EL TUBO VENTURI ABERTURA LONGITUD RELATIVA (Leq / D ) TOTALMENTE ABIERTA LREL = 1.4983 m/ 0.0381 m = 39.325 ABIERTA LREL = 1.4999 m/ 0.0381 m = 39.367 ABIERTA LREL = 1.5031 m/ 0.0381 m = 39.451 ABIERTA LREL = 1.5147m/ 0.0381 m = 39.755

b. Longitud equivalente de Placa de orificio CALCULO DE LONGITUDES RELATIVAS PARA LA PLACA DE ORIFICIO ABERTURA LONGITUD RELATIVA (Leq / D ) TOTALMENTE ABIERTA LREL = 1.4751 m/ 0.0381 m = 38.716 ABIERTA LREL = 1.4817 m/ 0.0381 m = 38.889 ABIERTA LREL = 1.4883 m/ 0.0381 m = 39.062 ABIERTA LREL = 1.5048m/ 0.0381 m = 39.496

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA6. Calcular las perdidas por friccin experimental F=( )

CALCULO DE LONGITUDES RELATIVAS PARA EL TUBO VENTURI ( (P) ( g ) FACTOR DE FRICCION ABERTURA TOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA (1157.95 kg/ m )(9.81 m/s ) = 2 11.359 kg/ms 2 2 (1145.89 kg/ m ) (9.81 m/s ) = 2 11241.18 kg/ms 2 2 (1121.76 kg/ m ) (9.81 m/s ) = 2 11004.46 kg/ms 2 2 (1033.36 kg/ m ) (9.81 m/s ) = 2 10137.26 kg/ms2 2 2

)3

F = 11359.48 kg/ms /998 kg/m 2 2 11.382 m /s 2 3 F=11241.18 kg/ms /998 kg/m 2 2 11.2637 m /s 2 3 F= 11004.46 kg/ms /998 kg/m 2 2 11.026 m /s 2 3 F= 10137.26 kg/ms /998 kg/m 2 2 10.157 m /s

= = = =

CALCULO DE LONGITUDES RELATIVAS PARA LA PLACA DE ORIFICIO ( (P) ( g ) FACTOR DE FRICCION ABERTURA TOTALMENTE ABIERTA ABIERTA ABIERTA ABIERTA (1335.81 kg/ m ) (9.81 m/s ) = 2 13104.29 kg/ms 2 2 (1285.40 kg/ m ) (9.81 m/s ) = 2 12609.77 kg/ms 2 2 (1234.99 kg/ m ) (9.81 m/s ) = 2 12115.25 kg/ms 2 2 (1108.97 kg/ m ) (9.81 m/s ) = 2 10878.99 kg/ms2 2 2

)3

F = 13104.29 kg/ms /998 kg/m 2 2 13.130 m /s 2 3 F=12609.77 kg/ms /998 kg/m 2 2 12.635 m /s 2 3 F= 12115.25 kg/ms /998 kg/m 2 2 12.139 m /s 2 3 F= 10878.99 kg/ms /998 kg/m 2 2 10.900 m /s

= = = =

7.

Calcular el factor de friccin experimental

CALCULO DEL FACTOR DE FRICCION EXPERIMENTAL(f) EN TUBO VENTURIABERTURA TOTALMENTE ABIERTA PERDIDAD DE FRICCION (F) 11.382 m /s2 2 2

Leq 3.1485 m 3.1499 m 3.1531 m 3.1647 m

VELOCIDAD 1.0614 1.0657 1.2026 0.9361

FACTOR DE FRICCION (f) 0.2445 0.2399 0.1842 0.2790

11.263 m /s 11.026 m /s 10.157 m /s2 2

2

2 2

8

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACACALCULO DEL FACTOR DE FRICCION EXPERIMENTAL(f) EN PLACA DE ORIFICIOABERTURA TOTALMENTE ABIERTA PERDIDAD DE FRICCION (F) 13.130 m /s 12.635 m /s 12.139 m /s 10.900 m /s2 2 2 2 2

Leq 3.1251 m 3.1371 m 3.1383 m 3.1548 m

VELOCIDAD 1.1166 1.0552 0.8473 0.7385

FACTOR DE FRICCION (f) 0.2567 0.2756 0.4105 0.4827

2 2 2

8. Calcular el factor de friccin terico Para dicho clculo se necesitan obtener los diferentes nmeros de Reynolds a las distintas aberturas y adems de la rugosidad relativa ( / D) en las grficas de Darcy

NRE

CALCULO DEL NUMERO DE REYNOLDS PARA TUBO VENTURIABERTURA TOTALMENTE ABIERTA NUMERO DE REYNOLDS( ( ( ( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ) ) )

FACTOR DE FRICCION TERICO f=0.0791/ NRE^.25

NRE = NRE = NRE = NRE =

= 40277.90 = 40441.08 = 45636.14 = 35523.03

0.00558 0.00557 0.00541 0.00576

CALCULO DEL NUMERO DE REYNOLDS PARA PLACA DE ORIFICIOABERTURA TOTALMENTE ABIERTA NUMERO DE REYNOLDS( ( ( ( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ) ) )

FACTOR DE FRICCION TERICO f= 0.0791 / NRE^.25

NRE = NRE = NRE = NRE =

= 42372.62 = 40042.62 = 32153.25 = 28024.52

0.00551 0.00559 0.00590 0.00611

9

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA9. Completar el siguiente cuadro

TABLA DE DATOS TUBO VENTURIABERTURA TOTALMENTE ABIERTA TIEMPO (s) 3.695 s VOLUMEN (L) 4.800 L PRESION 11444.05 2 kg/ m 11456.11 2 kg/ m 11480.24 2 kg/ m 11568.64 2 kg/ m GASTO 0.001210 0.001215 0.001371 0.001098

p11902471914 21929643567 14996349420 24581812564

3.200 s

3.890 L

3.245 s

4.450 L

3.250 s

3.570 L

TABLA DE DATOS PLACA DE ORIFICIOABERTURA TOTALMENTE ABIERTA TIEMPO (s) 2.560 s VOLUMEN (L) 3.260 L PRESION 11266.19 2 kg/ m 11316.6 2 kg/ m 11367.01 2 kg/ m 11493.03 2 kg/ m GASTO 0.001273 0.001203 0.000966 0.000842

p668570.9679

665126.9786 695577.1791

3.530 s

4.250 L

3.555 s

3.435 L

706485.1691

3.560 s

3.000 L

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONESlas velocidades obtenidas en el tubo Venturi aumentaron conforme se fue cerrando la vlvula, esto tambin fue debido al tipo de reduccin que maneja este accesorio, sin embargo el comportamiento de la corriente del fluido cuando se cerr casi en su totalidad la vlvula, mostro una disminucin evidente, menor a 1 m/s que repercuti en los clculos posteriores. En cuanto al comportamiento de las velocidades de la placa de orificio, se menciona que al ir cerrando la vlvula de compuerta, la velocidad del fluido descendi, teniendo una velocidad inicial de 1.1166 m/s y decay a casi 0.75 m/s , considero que estos clculos puede que estn en contra del verdadero comportamiento que se dio en la prctica, pues un factor que altera esta situacin 10

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACAes la inexactitud de los tiempos tomados. La conclusin a la que yo llegara es que en este tipo de accesorios debera de existir un aumento de velocidad por la reduccin del rea por la cual pasa el fluido puesto a prueba, comportamiento , que repito, sigui el tubo Venturi , con excepcin de la corrida con la vlvula casi cerrada. Por el lado contrario, el comportamiento fue todo negativo de la placa de orificio, ya que las velocidades disminuan. En cuanto a las longitudes equivalentes absolutas, las variaciones fueron mnimas, ya que conforme se iba cerrando la vlvula la h iba disminuyendo para ambos accesorios. A menor h , mayor era nuestra longitud equivalente total, que debido a que dicha diferencia era por escasos milmetros , nuestras longitudes variaron por milmetros y en algunos casos incremento de 1 a 2 centmetros, como lo fue el caso de las longitudes equivalentes a y tanto del tubo Venturi como de la placa de orificio. Podemos declinar que la longitud equivalente absoluta de la lnea uno es de 3.15 m . Y por ltimo, pero no menos importante los factores de friccin tanto experimentales como tericos no concuerdan en lo ms mnimo. Esto es debido a que los factores de friccin tericos toman en consideracin el Nmero de Reynolds, que de acuerdo a los clculos realizados, son cifras mayores a las 30000 unidades, es evidente que en la prctica se pudo observar que el flujo se comportaba de manera turbulenta, sin embargo considero relativamente altos dichos nmeros de Reynolds, pero son los que se obtuvieron con los datos experimentales. Como observacin, quisiera mencionar que en la toma de presiones en los manmetros de Hg, no se pudo tomar una medicin exacta, ya que el Mercurio nunca se pudo estabilizar debido tanto a la corriente que en ocasiones tena algunas burbujas de aire y tambin ciertas impurezas.

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACABIBLIOGRAFIA BIRD R.B. et. al. FENOMENOS DE TRANSPORTE. Editorial Reverte, 1 Reimpresin. Mxico 2006. CENGEL Y. et. al. TRANSFERENCIA DE CALOR. Editorial Mc Graw Hill, 4 Edicin. Mxico 2004. VALIENTE Juan. PROBLEMAS DE FLUJO DE FLUIDOS. Ed. Limusa 2000 PERRY Robert H. MANUAL DEL INGENIERO QUMICO. Editorial Mc Graw Hill, 4 Edicin. Espaa 2010.

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