Lab Manometria

Universidad de Nariño

Sistema Integrado de Gestión de la Calidad MANUAL DE LABORATORIOS DE MECÁNICA DE FLUIDOS GUIA: GUIA: LABORATORIO LABORATORIO 4 MANOMETRIA: USO DEL MANOMETRO DE TUBO EN “U” SIMPLE Y COMPUESTO PARA MEDIR PRESION Auto Autore res: s: Her Herná nán n Góme Gómezz Z – Iván Iván Sán Sánch chez ez O - Robe Robert rto o Garc García ía C Versión 01 Código: LBE-SPM-GU-01

Proceso: Proceso: Soporte Soporte a Procesos Procesos Misionales Misionales

Febr Febrer ero o 20 2010 10

SECCION DE LABORATORIOS GUIA: LABORATORIO 4 MANOMETRIA: USO DEL MANOMETRO DE TUBO EN “U” SIMPLE Y COMPUESTO PARA MEDIR PRESION

Código: LBE-SPM-GU-04 Página: 2 de 13 Versión: 1 Vigente a Partir de 16/02/2010

FIGURA 4.1. – Montaje de manómetros en “U”. Laboratorio de Hidráulica. Universidad de Nariño. _______________________________________________________________________________

4.1 INTRODUCCIÓN Los manómetros son instrumentos que sirven para medir la presión en los fluidos (líquidos y gases), el más sencillo es el manómetro en forma de U, en la parte inferior del manómetro se halla el líquido denominado “manométrico”. El líquido manométrico se desnivela cuando se aplican diferentes presiones en los extremos de las ramas del tubo, siendo la diferencia de niveles entre las ramas proporcional a las presiones aplicadas. La medida y el registro de presiones es de frecuente uso en los laboratorios, en sistemas de bombeo, sistemas de inyección de aire mediante blówers o compresores, para verificación de procesos industriales; para determinar junto con la temperatura el estado de un gas, a la entrada y salida de las máquinas de fluidos, como medidores de caudal en sistemas de venturis, diafragmas y como indicadores de seguridad.

4.2 OBJETIVOS      

Mediante la utilización de un manómetro de tubo en u, determinar la presión de aire generado mediante una bomba de pistón. Mediante la utilización de un manómetro de tubo en u, determinar la presión del agua generado mediante el calibrador de pesos muertos. Calcular la presión manométrica positiva y negativa ejercida con aire por una bomba de pistón. Mediante el uso del manómetro de mercurio en forma de “u”, determinar y comparar la diferencia de presiones en un sistema de agua - aire. Obtener la ecuación de un manómetro diferencial. Expresar la presión manométrica en diferentes unidades de presión.

Manual de Laboratorios de Mecánica de Fluidos

Hernán Gómez – Iván Sánchez – Roberto García



4.3 MATERIALES – EQUIPOS: DESCRIPCION 4.3.1 Materiales Se emplearán como fluido agua u otro líquido como aceite, también la prueba requiere de aire el cual es generado con un bombín.

4.3.2 Equipos e instrumentos       

Tubo de vidrio en u, diámetro interno de 5,0 mm. Manómetro Bourdón, precisión de 0.25 p.s.i. Líquido manométrico, mercurio. Bombín de pistón. Calibrador de pesos muertos. Pesas varias. Válvulas, accesorios y conductos de vidrio.

4.4 FUNDAMENTO TEÓRICO Los manómetros son instrumentos que utilizan columnas de líquidos para medir presiones. Utilizan la relación que existe entre un cambio de presión y un cambio de elevación en un fluido estático. Los manómetros pueden tener diferentes formas, dimensiones y utilizar diferentes fluidos según su aplicación. El tipo más sencillo de manómetro es el tubo en forma de u, figura 4.2 un extremo del tubo está conectado a la presión que se va a medir, mientras que el otro extremo se comunica con la atmósfera. En el tubo hay contenido un líquido manométrico, que no se mezcla con el fluido cuya presión se quiere medir. Los fluidos manométricos más usados son agua (s g  1.0), mercurio (sg  13.54) y aceites ligeros coloreados (s g  0.8). Patm

PA l

gw

DH

ghg

FIGURA 4.2. - Diagrama de un manómetro de tubo en U sencillo. La determinación de la presión es función de la diferencia de alturas entre las ramas del tubo en U. Se pueden medir presiones relativas a la atmósfera, o presiones diferenciales entre dos tomas de





presión, para ambos casos se utiliza manómetros de tubo en U simple o compuesto. Según lo establecido por (Mott, 2006), bajo la acción de la presión que se va a determinar, el fluido manométrico es desplazado de su posición normal. Puesto que los fluidos dentro del manómetro están en reposo, la expresión [4.1] puede utilizarse para escribir expresiones para los cambios de presión que se presentan a través del manómetro. Estas expresiones pueden combinarse y resolverse algebraicamente para la presión deseada.  p  γ * h

[4.1]

Según la figura 4.1, se establece que:

PA  Patm  γ hg *  H   γ w * l 

[4.2]

PA  γ hg *  H   γ w * l 

[4.3]

4.4.1 Presión absoluta y presión manométrica Según (Franzini y Finnemore 1999), si se mide la presión con respecto al cero absoluto, se denomina presión absoluta; cuando se mide respecto a la presión atmosférica como base, se llama presión manométrica, ya que prácticamente todos los medidores de presión registran cero cuando están expuestos a la atmósfera, por lo que miden la diferencia entre la presión del fluido al que están conectados y la del aire circundante. Figura 4.3.

Presión manométrica

Presión Atmosférica

Presión absoluta

Vacío = Presión manométrica negativa

Presión atmosférica Presión absoluta Cero Absoluto

FIGURA 4.3. - Tipos de presiones. Fuente (Franzini y Finnemore 1999, p 34). Si la presión está por debajo de la atmosférica, se denomina presión de vacío, y su valor manométrico corresponde a la cantidad por debajo de la presión atmosférica a que se halla. El vacío perfecto correspondería al cero absoluto de presión. Todo valor de presión absoluta es positivo, debido a que un valor negativo indicaría una tensión. Las presiones relativas son positivas si se encuentran por encima de la presión atmosférica y negativas si están por debajo. Según lo





anterior se deduce la relación para la presión absoluta:

4.4.2 Manómetro tipo Bourdon Las presiones o los vacíos se miden comúnmente utilizando el manómetro de Bourdon de la figura 4.3. En este tipo de manómetro un tubo curvado de sección elíptica cambiará su curvatura al cambiar la presión dentro del tubo: el extremo móvil del tubo gira la manecilla de un cuadrante mediante un mecanismo de unión articulado. La combinación de un manómetro de presión y de vacío se denomina un “manómetro compuesto”, como el de la figura 4.4.

40 30

50

60 70

80 90

20

100

10 110 0 120 10 130

20

140

30

150

40 50 Vac

160 Press

FIGURA 4.4. - Manómetro tipo Bourdón compuesto. Usualmente los manómetros para medir presiones expresan sus lecturas en libras por pulgada cuadrada (psi) y los manómetros que miden vacío o "vacuómetros” expresan las mediciones en mm o pulgadas de mercurio.

4.4.3 Tubos piezométricos Según (Franzini & Finnemore, 1999), una columna piezométrica es un dispositivo sencillo para la medición de presiones moderadas en líquidos. Consiste en un tubo de longitud adecuada (figura 4.5) en donde el líquido puede subir sin llegar a rebosar. La altura del líquido en el tubo dará directamente un valor de la altura de presión. Para reducir los errores capilares el diámetro del tubo debe ser como mínimo de 12 mm (0.5 in). Si se va a medir la presión de un fluido en movimiento, se deben tomar precauciones especiales en el momento de hacer la conexión. el agujero tiene que taladrarse perfectamente normal a la superficie interior de la pared, y el tubo piezométrico o la conexión para cualquier otro dispositivo de medición de presión no debe proyectarse (dentro del flujo) más allá de la superficie. es preciso eliminar cualquier irregularidad o rugosidad superficial cerca del agujero, y redondear ligeramente el borde del agujero. además el agujero debe ser pequeño, preferentemente no mayor que 3 mm (1/8 in) de diámetro.





Presión atmosférica

P/g

A

FIGURA 4.5. - Piezómetro. Como los tubos piezométricos sirven para medir la presión de un líquido, midiendo la altura de elevación (h) del mismo líquido en el tubo; la presión sería:

P

 ρ

* g *h

[4.7]

4.4.5 Manómetros diferenciales Los manómetros diferenciales se dividen en abiertos y cerrados. Los manómetros abiertos consisten en un tubo transparente en forma de u, parcialmente lleno de un líquido pesado, comúnmente mercurio; uno de sus extremos se conecta de manera perpendicular a la pared que confina el flujo del recipiente que lo contiene, mientras que el otro extremo puede estar abierto a la atmósfera, en este caso se mide la diferencia de presiones entre dos puntos. Los manómetros cerrados, son provistos de un sistema mecánico de aguja y carátula graduada donde se leen directamente las presiones.

Dh

gw

gw

P1

P2

gm

FIGURA 4.6. - Manómetro diferencial. En muchas aplicaciones interesa únicamente determinar la diferencia entre dos presiones y por este motivo se pueden utilizar los manómetros diferenciales como el de la figura 4.6, para lo cual se tiene la siguiente expresión:

P1



P2



 h * γ m  γ w



[4.8]

Donde γ es el peso especifico del fluido manométrico y γ el del agua. Se tiene que: m


w



h 

P1




P2

[4.9]

γ m  γ w 

O también:

P1  P2 γ w

 h *

s

gm



1

[4.10]

El manómetro diferencial es apropiado para medir diferencias grandes de presión, cuando se utiliza con un líquido pesado como es el mercurio. Para una diferencia pequeña de presión se puede utilizar un fluido ligero, tal como el aceite, o incluso el aire mismo.

4.5 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO 4.5.1

Funcionamiento – Procedimiento

La medición de la presión del aire con el manómetro de mercurio de tubo en “u” se determina así: (figura 4.6). 1. Cerrar la válvula V3 que comunica los manómetros de mercurio. 2. Conectar la bomba de pistón al acople del segundo manómetro de tubo en U. 3. Abrir la respectiva válvula que comunica de la bomba de pistón al manómetro de tubo en U. 4. Generar presión mediante el pistón de la bomba a partir del empuje producido por el aire y verificar el cambio en los tubos de los niveles de mercurio. 5. Realizar las lecturas y calcular la presión del aire. Presión Atmosférica

Cerrar Válvula V3

l

DH

Manómetro en "U" 2

Bomba de aire

FIGURA 4.7. - Medición de presión manométrica. La medición de la presión del agua con el manómetro de mercurio de tubo en “U” se determina así: (figura 4.7). 1. Cerrar la válvula V1. 2. Nivele el calibrador de pesos muertos. 3. Verificar el diámetro del pistón del calibrador de pesos muertos. 4. Verificar el peso del pistón del calibrador de pesos muertos. 5. Llene el cilindro del calibrador de pesos muertos con agua e introduzca el pistón respectivo. 6. Purgue el sistema con la válvula de ventilación adjunta al manómetro Bourdon.



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Reponga agua nuevamente en el cilindro del calibrador de pesos muertos e introduzca el pistón respectivo previamente pesado. Verifique la presión en el manómetro Bourdon. Repita el procedimiento anterior pero agregando peso al pistón.

Presión Atmo sféri ca Válvula V2

Pistón

Válvula V3

Manómetro Bourdon l

DH

Válvula V1

Manómetro en "U" 1

Calibrador de pesos muertos

Manómetro en "U" 2

Bomba de aire

FIGURA 4.8. - Diagrama de instalación de manómetros para determinar la presión diferencial. La medición del diferencial de presión del agua con empleo del manómetro de mercurio de tubo en “u” cuyo montaje se indica en la figura 4.8. 1. Verificar el montaje del medidor de caudal tipo orificio en el modelo de laboratorio. 2. Poner a circular agua por la respectiva tubería del modelo. 3. Una vez estable el caudal circulante verificar el desnivel del líquido manométrico. 4. Varié el caudal y repita el procedimiento.

Orificio

Tuberia g w l

DH

g hg

FIGURA 4.9. - Montaje de manómetro diferencial en equipo de laboratorio.





4.6 PROCESAMINETO DE DATOS 4.6.1 1. 2.

Calcular la presión ejercida por la bomba mediante la ecuación [4.7]. 2 Exprese la presión obtenida en p.s.i, kg/cm , pascales, bares, mm de H 2O y ubique dichos valores en el cuadro 4.1.

4.6.2 1. 2. 3.

Procesamiento de datos de presión del aire

Procesamiento de datos de presión de agua

Calcular la presión ejercida por el pistón en el calibrador de pesos muertos mediante la 2 ecuación de P = F/A, de la presión en kgf /cm y psi. Mida la misma presión en el manómetro tipo Bourdon en psi. Compare la presión dada según el pistón, el manómetro Bourdon y el manómetro de mercurio, cuantificando la diferencia con el error en porcentaje con la siguiente ecuación: % E 

4.6.3

Medido  Calculado Medido

*100

[4.11]

Procesamiento de datos para la presión de un fluido en movimiento

Establezca la ecuación para el manómetro diferencial (figura 4.9) montado en el equipo de laboratorio y calcule el diferencial de presión. Tome al menos tres valores de diferencia de presión y conviértalos en mca.

4.7 CONTENIDO DEL INFORME DE LABORATORIO El informe de laboratorio debe tener el siguiente contenido, donde cada ítem tendrá un valor de 1/10 en la calificación. 1. Número y nombre del laboratorio 2. Introducción 3. Objetivo 4. Fundamento teórico (colocar teoría diferente a la presente guía) 5. Descripción de la instalación, aparatos, etc. 6. Desarrollo del experimento 7. Presentación de datos 8. Análisis y resultados 9. Conclusiones 10. Referencias bibliográficas y cibergrafía

4.8 BIBLIOGRAFIA  



FRANZINI, B, Joseph y FINNEMORE, E, John. 1999. Mecánica de Fluidos con aplicaciones en ingeniería. McGraw – Hill. 503 p. LARRY, Wilson, SOLARTE, José. 1997. Diseño y construcción de un banco de pruebas hidrostáticas. Universidad de Nariño. Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil. Pasto. 303 p. MOTT, Robert. 2006. Mecánica de Fluidos Aplicada. Sexta Edición. Editorial Pearson Educación. 582 p.



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MUNSON, R, B, YOUNG, D, F y OKIISHI, T, H. 2007. Fundamentos de Mecánica de Fluidos. Editorial Limusa S.A. México. 867 p. STREETER, Victor, WYLIE, Benjamin y BEDFORD, Keith. 1999. Mecánica de los Fluidos. 9ª edición. McGraw-Hill. Bogotá. 740 p. WHITE, M, Frank. 2004. Mecánica de Fluidos. Quinta edición. McGraw-Hill/interamericana de España. Madrid. 833 p.



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Vigente a Partir de 16/02/2010

CUADRO 4.1. - Registro de valores leídos y calculados Ensayo manometría para presión con aire.

Ensayo número

Lectura ramal 1 (mm de hg)


Diferencia de lecturas (mm de hg)

Presión aplicada (p.s.i)

Presión aplicada (kg/cm2)

Presión aplicada

Presión aplicada (bares)

Presión aplicada (mm h2o)

Presión aplicada (bares)

Presión aplicada (mm h2o)

(Pa) 1 2 3 4 5

Ensayo número



Diferencia de lecturas (mm de hg)

Presión aplicada (p.s.i)

Presión aplicada (kg/cm2)

Presión aplicada (Pa)

1 2 3 4 5





CUADRO 4.2. - Registro de valores leídos y calculados Ensayo manometría para presión con agua.

Diámetro del pistón (d): ____________________. Área del pistón (A): _______________________. Peso del pistón: __________________________. 1 Ensayo número

1 2 3 4 5

2 Peso aplicado (kg)

3 Presión teórica (P= F/A) (kg/cm2)

4 presión teórica (P = F/A) (p.s.i)

5 Presión manómetro Bourdón (p.s.i)

6 Porcentaje de error manómetro Bourdón (%E)

7 Presión manómetro en U (p.s.i)

8 Porcentaje de error manómetro en U (%E)

Código: LBE-SPM-GU-04 Página: 12 de 13 Versión: 1


Vigente a Partir de 16/02/2010

CUADRO 4.2. - Registro de valores leídos y calculados Ensayo manometría para presión con agua.

Diámetro del pistón (d): ____________________. Área del pistón (A): _______________________. Peso del pistón: __________________________. 1 Ensayo número

2 Peso aplicado (kg)

3 Presión teórica (P= F/A) (kg/cm2)

4 presión teórica (P = F/A) (p.s.i)

5 Presión manómetro Bourdón (p.s.i)

6 Porcentaje de error manómetro Bourdón (%E)

7 Presión manómetro en U (p.s.i)

8 Porcentaje de error manómetro en U (%E)

1 2 3 4 5




DATOS DE ELABORACIÓN ELABORADO POR: REVISADO POR: CARGO:

NOMBRE:


APROBADO POR:

Docente Departamento Ingeniería Civil Docente Departamento Recursos Hidrobiológicos Auxiliar de Laboratorio de Hidáulica

Representante de la Dirección Asistente de Archivo y Correspondencia

Jefe de Laboratorios

Hernán Gómez Zambrano

Víctor William Pantoja

Iván Sánchez Ortiz

Ingrid Egas

Piedad Rebolledo Muñoz



DATOS DE ELABORACIÓN ELABORADO POR: REVISADO POR: CARGO:

NOMBRE:

APROBADO POR:

Docente Departamento Ingeniería Civil Docente Departamento Recursos Hidrobiológicos Auxiliar de Laboratorio de Hidáulica

Representante de la Dirección Asistente de Archivo y Correspondencia

Jefe de Laboratorios

Hernán Gómez Zambrano

Víctor William Pantoja

Iván Sánchez Ortiz

Ingrid Egas

Piedad Rebolledo Muñoz

Roberto García Criollo

FIRMA: FECHA:

30/08/2010

30/08/2010

30/08/2010

CONTROL DE CAMBIOS VERSI N FECHA DE DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO No. APROBACIÓN 1

30/08/2010

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