Revista de Física, No. 1, Marzo 2023
MOMENTO
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MEDICION DE CAUDAL Y PRESION
FLOW AND PRESSURE MEASUREMENT
Fredys D. Gutierrez1, Stewar H. Bedoya, Libardo J. Mora 1
, Edgar J. Chinchilla1,
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Universidad Del Magdalena
(Received: Marzo/2023 - Accepted: Marzo/2023)
Resumen
Se realizó un experimento el cual se basa en medir el caudal
haciendo uso del tubo de Venturi y el tubo de Pitot para calcular la
presión ejercida. Basándonos en la definición más básica de caudal
que es volumen sobre tiempo.
.
Palabras Clave: Equilibrio, Fluido y Presión.
Abstract
An experiment was carried out which is based on measuring the
flow using the Venturi tube and the Pitot tube to calculate the
pressure exerted. Based on the most basic definition of flow, which
is volume over time.
Keywords: Balance, Fluid and Pressure .
Introducion
En el campo de la ingeniería, los instrumentos que miden el caudal de un
fluido están clasificados en dos clases, los instrumentos mecánicos y los
instrumentos de pérdida de carga entre estos se encuentra el tubo Venturi,
Fredys D. Gutierrez: email [email protected]
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Fredys D. Gutierrez y Stewar H. Bedoya
como instrumento diseñado para medir la velocidad de un fluido en el interior
de un conducto.
Cuando un fluido que circula por el interior de un conducto cerrado pasa por
un estrechamiento de dicho conducto, su velocidad aumenta y su presión
disminuye. El fenómeno es conocido como efecto Venturi, por ser este el
nombre
del
físico
italiano
que
verificó
su
existencia.
A partir del conocimiento del efecto descrito por Venturi se desarrolló el tubo
del mismo nombre, que es un aparato que permite medir la velocidad y el
caudal de un fluido partiendo de la diferencia de presiones entre dos puntos
del conducto.
En este laboratorio buscamos hallar las diferencias de presión que se registran
entre la parte ancha y angosta del tubo haciendo uso del efecto Venturi. Para
corroborar con la teoría aprendida en clase sobre este efecto.
Objetivos
Comprobar experimentalmente la teoría adquirida en clase sobre el efecto
Venturi.
Determinar las diferencias de presiones que se llevan a cabo en el tubo de
Venturi y poder analizar el caudal y la presión ejercida.
Marco Teórico
Básicamente, el tubo de Venturi es un conducto con un estrechamiento corto
entre dos tramos de forma cónica. Disponiendo de dos medidores de presión,
uno en la sección ancha y otro en la estrecha, se obtendrá la disminución
exacta de dicha presión y se podrán calcular el caudal y la velocidad del
fluido.
Con el empleo de este dispositivo es posible, por tanto, acelerar la velocidad
de circulación de un fluido.[1]
FIG 1.Tubo de Venturi
3 MEDICION DE CAUDAL Y PESION
El efecto Venturi está basado en el principio de Bernoulli y la continuidad de
masa, siendo las ecuaciones y la base que lo rodean de un cálculo muy
sencillo. Del principio de Bernoulli sacamos que la energía en cada sección
del circuito cerrado es constante. Si aumenta la velocidad, debe disminuir la
presión para que las sumas de energías se mantengan constantes. [2]
La ecuación de Venturi se basa en la continuidad de la masa (continuidad de
flujo en cada una de las secciones de un circuito cerrado) y en el principio de
Bernoulli.
La ley de conservación de la masa dice que en un flujo estacionario todo el
caudal (la masa por unidad de tiempo) que entra por un lado de un recinto
debe salir por otro. Esto implica que si disminuimos la sección de circuito
debe aumentar la velocidad.
(Ecuación
1)
El principio de Bernoulli por otro lado establece el principio de conservación
de energía. La energía que contiene un fluido en circuito cerrado es la suma
de energía cinética, potencial y de presión. Ésta debe permanecer constante a
la entrada y a la salida del circuito.
(Ecuación 2)
Quitamos la energía potencial de la ecuación por permanecer constante:
(Ecuación 3)
Esto quiere decir que, si se modifica la velocidad, (sin modificar altura),
la presión de fluido debe variar. Conociendo la variación de presión podemos
sacar la variación de velocidad que experimenta el fluido y de ahí la utilidad
del tubo de Venturi para medición de velocidades de flujo.
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(Ecuación 4)
(Ecuación 5)
(Ecuación 6)
Metodología
El montaje de la experiencia consiste en un recipiente lleno de agua que
alimenta el circuito, el líquido sigue una ruta y al finalmente es evacuado por
el extremo final, posee una válvula que está abierta, el tubo de Venturi posee
dos medidores que me registran la diferencia de presión entre las partes
anchas y angostas del tubo colocamos dos medidores de presión que está
conectada a una interfaz, la cual dará los registros y los enviará al programa
PASTOCAPSTONE.
El sistema está conectado a una bomba de agua que me permite la asunción
del líquido. Para medir la rapidez con la que el líquido es expulsado hacemos
uso del tubo de Pitot
Verificamos que los sensores hayan sido reconocidos en el programa, y
hacemos uso de los indicadores digitales para tener las diferentes mediciones.
Cuando ya tenemos todo listo y los sensores conectados, procedemos a
realizar el experimento enciendo la bomba y comenzamos con el registro de
los datos.
Resultado y Discusión
5 MEDICION DE CAUDAL Y PESION
FIG 2. Datos tomados en el programa de las diferentes presiones y velocidad
Al momento de la toma de datos, son muchos los resultados que este nos
arroja por lo cual se realiza un promedio de todos los datos obtenidos para así
poder trabajar. Este promedio se multiplica por mil porque las unidades están
en KPa, y así nos quedaría en Pa.
FIG 3. La calculadora del programa donde se llevó a cabo los promedios de los resultados.
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FIG 4. Los promedios de los datos obtenidos
Seguimos calculando el caudal usando la definición más básica que es
volumen sobre tiempo, en un recipiente de 12L aproximadamente medimos
el tiempo que demora en llenarse por completo ese tiempo nos da 24,07s
𝑄=
12𝐿
𝑚3
= 4,99𝑥10−4
(𝑒𝑠𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 7)
24,07𝑠
𝑠
Este caudal se usará como valor teórico al momento de calcular los errores
porcentuales para los caudales medidos haciendo uso del hubo de Venturi y
de Pitot.
FIG 5. Tubo de Venturi llamando a su parte estrecha y b la parte ancha
7 MEDICION DE CAUDAL Y PESION
Ahora vamos a calcular el caudal haciendo uso del tubo de Venturi, así acorde
a sus mediciones las diferencias de presiones en su parte ancha y angosta es
de:
𝑃𝑏 − 𝑃𝑎 = 5362,28 𝑃𝑎 (Ecuación 8)
𝐴𝑏 = 3,44𝑥10−4 𝑚2
𝐴𝑎 = 1,24𝑥10−4 𝑚2
𝜌 = 1000
𝑘𝑔
𝑚3
Estos valores de las areas son proporcionados por el proveedor del tubo, para
la densidad del agua usamos su valor estándar.
Haremos uso de esta expresión para calcular la rapidez del fluido, la cual
conseguimos haciendo uso de la ecuación de Bernoulli y de la ecuación de
continuidad.
2(𝑃𝑏 −𝑃𝑎 )
𝜌(𝐴2𝑏 −𝐴2𝑎 )
𝑉𝑎 = 𝐴𝑏 √
𝑉𝑎 = 3,51
(Ecuacion 9)
𝑚
𝑠
𝑚
Obtenemos que la rapidez del fluido en la parte angosta del tubo es de 3,51 𝑠
. Haciendo uso de la definición de caudal que es área por rapidez obtenemos.
𝑄 = 𝐴𝑎 𝑉𝑎 = 4,35𝑥10−4
𝑚3
𝑠
(Ecuacion 10)
Procedemos ahora a calcular el caudal empleando el tubo de Pitot para esto
hemos medido la rapidez con la que escapa el líquido por el extremo inferior
de nuestro sistema y obtuvimos una rapidez promedio de:
𝑉 = 3,27
𝑚
𝑠
El diámetro de este tubo es de:
𝐷 = 0,023𝑚
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Para calcular el caudal aplicamos su definición área por rapidez
𝑄 = 𝐴𝑉 =
𝜋 2
𝐷 𝑉
4
= 1,35𝑥10−3 𝑚3 /𝑠 (Ecuacion 11)
Ahora calcularemos el error porcentual de las mediciones empleando esta
definición.
𝐸𝑝 =
|𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙|
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑥100% (Ecuacion 12)
Y el valor que tomaremos como valor teórico será el de 4,99𝑥10−4
𝑚3
𝑠
Error para el caudal con el tubo de Venturi
𝑚3
𝑚3
|4,99𝑥10−4 𝑠 − 4,35𝑥10−4 𝑠 |
𝐸𝑝 =
𝑥100% = 12,85%
𝑚3
4,99𝑥10−4 𝑠
Error para el caudal con el tubo Pitot
𝑚3
|4,99𝑥10−4 𝑠 − 1,35𝑥10−3 𝑚3 /𝑠|
𝐸𝑝 =
𝑥100% = 72,94%
𝑚3
4,99𝑥10−4
𝑠
Conclusión
En el laboratorio se logró medir los caudales gracias a la teoría aprendida, y
compararla con los valores experimentales que conseguimos haciendo uso de
las mediciones y el programa. Haciendo uso de todos estos datos pudimos
evidenciar el error presentado mediante las formulas y para el del tubo de
Venturi hubo un menor error en comparación con el del tubo de Pitot el cual
fue mucho mayor esto fue debido al momento de usar la expresión del área
9 MEDICION DE CAUDAL Y PESION
suponemos que es la del chorro, y que el tubo está completamente lleno de
agua, lo cual es falso debido a las regiones de aire que permiten que el flujo
se acelere y el diámetro del chorro no corresponda con el diámetro interno del
tubo, haciendo que el error sea tan alto.
Bibliografía
[1] https://helloauto.com/glosario/tubo-de-venturi
[2] https://www.experimentoscientificos.es/efecto-venturi/
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