UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 1 DE 15 LMH-2441-01 RESUMEN En el presente informe se toma en cuenta los distintos criterios a ser analizados: Los parámetros físicos que caracterizan las condiciones en las que opera un fluido son las presiones, temperaturas, velocidades, caudales, fluidos másicos, etc. Para cuya medición se han diseñado variedad de instrumentos, su elección depende de las condiciones de trabajo del sistema, precisión con las que se desea utilizar la medición, costo económico, frecuencia de medición, accesibilidad al punto de medición, agresividad del entorno, etc. En la presente práctica se brindara principal atención a la medición de la presión en diferentes condiciones pues son una las magnitudes más importantes en el trabajo con fluidos líquidos y gaseosos, tanto los recipientes presurizados, como los conductos de transporte. Para lo cual se tiene como objetivo analizar lo siguiente: Estudiar la medición de la presión en diferentes situaciones y regímenes de flujo. Comparar los resultados de la medición de la presión con los distintos instrumentos. Donde utilizando las distintas ecuaciones para el cálculo de la presión se llega a la conclusión de que al utilizar un instrumento de medición de presión este puede variar de acuerdo a su precisión donde al hacer una comparación estas varían uno de otro donde para los manómetros de columna de agua en el tubo de pitot los rangos son constantes y en el de mc de mercurio varia para cada variación del ángulo en la válvula. Los resultados son los siguientes: UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 2 DE 15 LMH-2441-01 1. INTRODUCION. Los parámetros físicos que caracterizan las condiciones de operación de fluidos, son las presiones, temperaturas, velocidades, caudales, fluidos másicos, etc. Para cuya medición se han diseñado variedad de instrumentos, su elección depende de las condiciones de trabajo del sistema, precisión con las que se desea realizar la medición, costo económico, frecuencia de medición, accesibilidad al punto de medición, agresividad del entorno, etc. En la presente práctica se brindara especial atención a la medición de la presión en diferentes condiciones pues son una las magnitudes más importantes en el trabajo con fluidos líquidos y gaseosos, tanto los recipientes presurizados, como en conductos. 2. OBJETIVOS. Estudiar la medición de la presión con distintos instrumentos. Interpretar los datos obtenidos según la forma de instalación del instrumento. 3. MARCO TEORICO. Las magnitudes que más frecuentemente se mide en el flujo confinado son la presión, temperatura y en muchos casos producto de estas pueden hallarse flujos másicos y caudales. 3.1. Presión. Esquema1: se representa cada "elemento" con una fuerza dP y un área dS. UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 3 DE 15 LMH-2441-01 En física, la presión (símbolo p) es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. En el Sistema Internacional la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en una unidad derivada que se denomina libra por pulgada cuadrada (pound per square inch) psi que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada. 3.2. Definición. La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada por: 𝑃= 𝐹 𝐴 En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como: 𝑃= 𝑑𝐹 𝑛 𝑑𝐴 Donde n es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. 3.3. Presión absoluta y relativa En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica más la presión manométrica (presión que se mide con el manómetro). 3.3.1. Unidades de medida, presión y sus factores de conversión. La presión atmosférica media es de 101 325 pascales (101,3 kPa), a nivel del mar, donde 1Atm=1,01325 bar = 101325 Pa = 1,033 kgf/cm² y 1 m.c.a = 9.81 kPa. UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 4 DE 15 LMH-2441-01 Las obsoletas unidades manométricas de presión, como los milímetros de mercurio, están basadas en la presión ejercida por el peso de algún tipo estándar de fluido bajo cierta gravedad estándar. Las unidades de presión manométricas no deben ser utilizadas para propósitos científicos o técnicos, debido a la falta de repetibilidad inherente a sus definiciones. También se utilizan los milímetros de columna de agua (mm c.d.a.). 3.4. Propiedades de la presión en un medio fluido. 3.5. Manómetro. 1. La fuerza asociada a la presión en un fluido ordinario en reposo se dirige siempre hacia el exterior del fluido, por lo que debido al principio de acción y reacción, resulta en una compresión para el fluido, jamás una tracción. 2. La superficie libre de un líquido en reposo (y situado en un campo gravitatorio constante) es siempre horizontal. Eso es cierto sólo en la superficie de la Tierra y a simple vista, debido a la acción de la gravedad no es constante. Si no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esférica y, por tanto, no horizontal. 3. En los fluidos en reposo, un punto cualquiera de una masa líquida está sometida a una presión que es función únicamente de la profundidad a la que se encuentra el punto. Otro punto a la misma profundidad, tendrá la misma presión. A la superficie imaginaria que pasa por ambos puntos se llama superficie equipotencial de presión o superficie isobárica. 3.5.1. Aplicaciones. Frenos hidráulicos Muchos automóviles tienen sistemas de frenado antibloqueo (ABS, siglas en inglés) para impedir que la fuerza de fricción de los frenos bloqueen las ruedas, provocando que el automóvil derrape. En un sistema de frenado antibloqueo un sensor controla la rotación de las ruedas del coche cuando los frenos entran en funcionamiento. Si una rueda está a punto de bloquearse los sensores detectan que la velocidad de rotación está bajando de forma brusca, y disminuyen la presión del freno un instante para impedir que se bloquee. Comparándolo con los sistemas de frenado tradicionales, los UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 5 DE 15 LMH-2441-01 sistemas de frenado antibloqueo consiguen que el conductor controle con más eficacia el automóvil en estas situaciones, sobre todo si la carretera está mojada o cubierta por la nieve. Refrigeración La refrigeración se basa en la aplicación alternativa de presión elevada y baja, haciendo circular un fluido en los momentos de presión por una tubería. Cuando el fluido pasa de presión elevada a baja en el evaporador, el fluido se enfría y retira el calor de dentro del refrigerador. Como el fluido se encuentra en un ciclo cerrado, al ser comprimido por un compresor para elevar su temperatura en el condensador, que también cambia de estado a líquido a alta presión, nuevamente está listo para volverse a expandir y a retirar calor (recordemos que el frío no existe es solo una ausencia de calor). Neumáticos de los automóviles Se inflan a una presión de 310.263,75 Pa, lo que equivale a 30 psi (utilizando el psi como unidad de presión relativa a la presión atmosférica). Esto se hace para que los neumáticos tengan elasticidad ante fuertes golpes (muy frecuentes al ir en el automóvil). El aire queda encerrado a mayor presión que la atmosférica dentro de las cámaras (casi 3 veces mayor), y en los neumáticos más modernos entre la cubierta de caucho flexible y la llanta que es de un metal rígido. 3.5.2. Presión ejercida por los líquidos La presión que se origina en la superficie libre de los líquidos contenidos en tubos capilares, o en gotas líquidas se denomina presión capilar. Se produce debido a la tensión superficial. En una gota es inversamente proporcional a su radio, llegando a alcanzar valores considerables. Por ejemplo, en una gota de mercurio de una diezmilésima de milímetro de diámetro hay una presión capilar de 100 atmósferas. La presión hidrostática corresponde al cociente entre la fuerza normal F que actúa, en el seno de un fluido, sobre una cara de un cuerpo y que es independiente de la orientación de ésta. Depende únicamente de la profundidad a la que se encuentra situado el elemento considerado. La de un vapor, que se encuentra en equilibrio dinámico con un sólido o líquido a una temperatura cualquiera y que depende únicamente de dicha temperatura y no del volumen, se designa con el nombre de presión de vapor o saturación. 3.6. Medición de la presión Los instrumentos que miden la presión pueden clasificarse según su naturaleza de la presión media como: Barómetros: Aquellos que miden la presión atmosférica. Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmósfera. UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 6 DE 15 LMH-2441-01 Los primeros barómetros estaban formados por una columna de líquido encerrada en un tubo cuya parte superior está cerrada. El peso de la columna de líquido compensa exactamente el peso de la atmósfera. Manómetros: Aquellos que miden sobrepresiones o positivas con relación a la atmosfera. Un manómetro (del gr. μανός, ligero y μέτρον, medida) es un aparato que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Esencialmente se distinguen dos tipos de manómetros, según se empleen para medir la presión de líquidos o de gases. Vacuómetros: Los que miden depresiones o presiones negativas respecto a la presión atmosférica. El Vacuómetros de McLeod es un Vacuómetros que mide con gran precisión presiones muy absolutas superiores o inferiores a la presión atmosférica. Se utiliza tanto en la industria como en el campo de la investigación científica y técnica. Dependiendo de su diseño, puede cubrir la medida de presiones desde 10-3 a 100 mbar o desde 10-6 hasta 10-2 mbar. Fue inventado 1874 por Herbert G. McLeod (1841–1923). Aunque aún hoy es frecuente encontrarlos formando parte de complejos equipamientos de alto vacío, están siendo sustituidos por Vacuómetros electrónicos. Manómetros de presión absoluta: Los que miden la presión absoluta es decir la suma de la presión atmosférica y la presión manométrica. Manómetros diferenciales: Los que miden diferencia de presiones entre dos puntos de medición. Su uso es muy frecuente en filtros en línea. De esta forma se puede observar fácilmente lo obturado que se encuentra el filtro midiendo la diferencia de presión entre la entrada y la salida del filtro. Micro manómetros: Los que miden presiones muy pequeñas. Según su principio de funcionamiento puede tratarse de: Manómetros electrónicos. Manómetro de columna de líquido. Manómetros mecánicos o de reloj. La presión hidrostática: Proporciona la presión relativa a una profundidad dada, en una masa continua de fluido en reposo, como función de la densidad del fluido y de la profundidad a la que se encuentra. Este resultado es lo que se conoce como la ecuación fundamental de la hidrostática. UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MARZO 2016 PÁGINA 7 DE 15 LMH-2441-01 MEDICIÓN DE LA PRESIÓN En el elemento de fluido situado a una profundidad h bajo la superficie libre sobre la que actúa una presión de referencia se tiene que: 𝑝 ∙ 𝐴 − (𝑝 + 𝜕𝑝 ∙ 𝑑ℎ) ∙ 𝐴 + 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ 𝐴𝑑ℎ = 0 𝜕ℎ (1) Fig. 1 O lo que es lo mismo. 𝜕𝑝 =𝜌∙𝑔 𝜕ℎ (2) Para un fluido incompresible, la densidad es constante y la ecuación 2 puede integrarse respecto a la profundidad h, obteniéndose: 𝑝=𝜌∙𝑔∙ℎ (3) Que es la función fundamental de la hidrostática para flujo incompresible, la presión así calculada es la presión manométrica o presión relativa a la presión de referencia de la superficie p0, que muy a menudo coincide con la presión atmosférica. El instrumento que trabaja utilizando este principio es el manómetro en U simple y mide la presión relativa a la atmosfera. UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 8 DE 15 LMH-2441-01 Fig. 2 La presión absoluta a una profundidad h viene dada por: 𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑝0 + 𝑝𝑚𝑎𝑛 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ℎ (4) El manómetro diferencial se emplea para medir diferencias de presiones entre dos puntos y es muy utilizado en la medición de velocidades y caudales de flujo mediante el tubo de Venturi, tobera, orificio calibrado y tubo de Pitod: ∆𝑝 = 𝑝1 − 𝑝2 (5) Donde p1 y p2 son las presiones absolutas o manométricas en 1 y 2 respectivamente en la presente práctica se estudiara el comportamiento de la presión absoluta, manométrica y diferencial. Presión Dinámica; es generada por la velocidad que lleva el fluido al interior del conducto, puede obtenerse de la presión total registrada mediante el transductor de tubo de Pitod que registra la presión total: 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑑𝑖𝑛 + 𝑃𝑒𝑠𝑡 (6) UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 9 DE 15 LMH-2441-01 4. METODOLOGIA DE LA EXPERIMENTACION. 4.1. Materiales, Equipos e Instrumentos. Antes del inicio de la practica deben verificarse si se cuentan con os siguientes materiales, equipos e instrumentos y si estos están en condiciones de trabajar con precisión, y seguridad. Sistema de bombeo a tanque elevado. Tubo de Venturi. Piezómetro. Manómetros U de columna de agua. Manómetros U de columna de mercurio. Cinta métrica. MATERIAL E INSTRUMENTOS CARACTERISTICAS TECNICAS Bomba de agua Marca: Pedrolo V = 220(V) F = 50 (Hz) P = 0.37 (KW) / 0.5 HP Q = 5 - 40 L/min H= 40 - 5.5 m Vel. = 2900 R.P.M. In= 2.5 (A) Tubo de Venturi UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 10 DE 15 LMH-2441-01 Recipiente de agua (vidrio). Manómetros U de columna de agua. Manguera de 1cm de diámetro Cinta métrica de 1 (m) Manómetros U de columna de mercurio. Manómetro de columna de mercurio Cinta métrica de 52 (cm) UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 11 DE 15 LMH-2441-01 Cinta métrica Escala de 1 – 200 cm. TUBO DE PIEZOMETRO MANÓMETROS U DE COLUMNA DE MERCURIO TUBO DE VENTURI BOMBA DE AGUA MANÓMETROS U DE COLUMNA DE AGUA 4.2. Procedimiento Experimental. Prueba de la presión pulmonar. 1. El objetivo de esta prueba es practicar la medición de la presión utilizando el manómetro U, para ello se debe soplar en forma creciente hasta que se llegue al límite pulmonar y luego tomar la medida con el uso de la cinta métrica. 2. Repetir la medición descrita en el punto uno para cada integrante del grupo. UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS MEDICIÓN DE LA PRESIÓN MARZO 2016 PÁGINA 12 DE 15 LMH-2441-01 Prueba de la presión en distintos instrumentos. 1. Verificar la correcta instalación del sistema de bombeo. 2. Verificar la correcta instalación de los instrumentos tanto hacia los manómetros U como a los piezómetros. 3. Verificar la correcta instalación eléctrica del equipo y energizar. 4. Tomar las mediciones en el piezómetro de succión, ramal de impulsión, tubo de Venturi, mientras la segunda cámara se llena de agua. 5. Medir la altura del nivel al que llega el agua en el tanque superior y también la presión estática en el piezómetro anterior a la válvula. 6. Apagar el equipo y dejar todo como se encontró al inicio de la práctica.
