Informe de laboratorio de Mecánica de fluidos

1. Pontificia Universidad Javeriana Cali, Mecanica de fluidos
Cali, 19/04/16
Practica #4. MEDICIÓN DE CAUDAL EN CONDUCTOS A PRESIÓN
(VENTURI, ORIFICIO, ROTÁMETRO)
Cristian Rodolfo Chica, Nicolás Carrillo, Carlos Gonzales, Daniel Muñoz, Nicolás
Cerón, Frank Ramírez.
Resumen
A continuación se describe el laboratorio denominado MEDIDORES DE FLUJO
realizado el 05 de Abril del 2016 en el laboratorio de recursos hídricos de la Pontificia
Universidad Javeriana, el cual busca determinar el flujo verdadero producido por un
fluido establecido en un sistema hidráulico, mediante el análisis de los resultados
obtenidos gracias a la implementación de dispositivos como el tubo de Venturi,
medidor de orificio y medidor de área variable (Rotámetro). Los cuales permitirán
saber cuál es el flujo real que pasa a través de estos, sin dejar de tener en cuenta
que estos dispositivos ocasionan una pérdida de presión. Por lo que se hace
necesario contar también con la aplicación de ecuaciones básicas referentes a la
mecánica de fluidos, entre las que están comprendidas la fórmula de Bernoulli y la
de continuidad.
Introducción
La mecánica de fluidos que en su estructura cuenta con leyes de la estática, la
dinámica y la termodinámica. Se basa en el estudio del movimiento presentado por
los fluidos (líquidos y gases), en situaciones en donde estos pueden ser tratados
como medios continuos. Mediante la implementación de leyes tales como la ley de
la conservación de la masa y de la energía, con el fin de determinar de una manera
cuantitativa el comportamiento de un fluido.
Y es por eso que en este laboratorio que cuenta con la ayuda de un banco hidráulico
el cual permite aplicar diversos modelos hidráulicos. Se estudiara un sistema de
medida de flujo, el cual contara principalmente con un tubo de Venturi, medidor de
orificio y medidor de área variable (Rotámetro), interconectados en una secuencia
de serie lo que permite la comparación directa de ellos con el fin de poder establecer
gracias a los datos suministrados por estos y mediante la aplicación de algunas
ecuaciones los caudales experimentales y teóricos. Todo esto con el fin de poder
extrapolar lo teórico visto en clase a un desarrollo experimental.

2. Marco teórico
 Ecuación de Bernoulli
La ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento
de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. En donde se
contempla que un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de
circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido.
P + pgz +
1
2
pv2
= constante
(Ecuación de Bernoulli)
En donde:
v = velocidad del fluido en la sección considerada.
g = aceleración gravitatoria
z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
P = presión a lo largo de la línea de corriente.
p = densidad del fluido.1
 Ecuación de Continuidad
La ecuación de continuidad se basa en la ley de la conservación de la masa,
en donde el caudal es la masa del fluido y por lo tanto el caudal que está
entrando por un punto A debe ser el mismo que está saliendo por un punto
B.
Q1 = Q2
A1V1 = A2V2
En donde:
Q = caudal
V = velocidad
A = área transversal del tubo de corriente o conducto 2
 Tubo de Venturi
El Tubo Venturi lo crea el físico e inventor italiano Giovanni Battista Venturi,
según él, el tubo es un dispositivo para medir el gasto del fluido, es decir, la
cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una diferencia de presión
que existe entre el lugar por donde entra la corriente y el punto, calibrable de
mínima sección del tubo, en donde su parte ancha final actúa como difusor.

3. El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar
por él un fluido. En esencia, consta de una tubería corta recta, o garganta,
entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección
estrecha; así, al colocar un manómetro ó instrumento registrador en la
garganta se mide la caída de presión y hace posible calcular el caudal
instantáneo3
 Medidor de Orificio
El medidor de Orificio es un elemento más simple, consiste en un agujero
cortado en el centro de una placa intercalada en la tubería. El paso del fluido
a través del orificio, cuya área es constante y menor que la sección
transversal del conducto cerrado, se realiza con un aumento apreciable de la
velocidad (energía cinética) a expensa de una disminución de la presión
estática (caída de presión). Por esta razón se le clasifica como un medidor
de área constante y caída de presión variable4
 Medidor de área variable(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 suficientemente para equilibrar el peso
del flotador.

4. 5
Objetivos específicos:
1. Conocer varios métodos empleados para medición de caudal.
2. Estudiar el funcionamiento de los dispositivos de restricción para medir
caudal: Venturi y placa orificio, y del medidor de flujo lineal de flotador
conocido como rotámetro.
3. Determinar el caudal real a través de los medidores de caudal: Venturi, placa
de orificio y rotámetro.
4. Calcular el coeficiente de descarga de los medidores: Venturi y placa de
orificio, y determinar como varía con el número de Reynolds.
5. Calcular el coeficiente de recuperación de presión de un difusor

5. Materiales y Equipos
 Banco Hidráulico
 Equipos medidores de caudal
 Cronometro
Procedimiento.
Para la correcta determinación del caudal de manera empírica o experimental se
utilizara un equipo en forma de tablero el cual posee diferentes dispositivos entre
los cuales se encuentran: un difusor, una placa de orificios, codos de 90 grados, el
tubo de Venturi y un rotámetro. El tubo de Venturi, el rotámetro y la placa de orificios
deben estar acomodados en serie y estar calibrados correctamente con el propósito
de evitar errores debido a la incertidumbre.
El equipo también cuenta con una válvula de control de volumen de agua que
ingresa al sistema, una válvula reguladora de flujo de aire dentro de los manómetros
y manómetros.
Para realizar el ensayo se debe realizar lo siguiente:
1. Acomodar el banco de prueba del medidor de caudal sobre el banco
hidráulico garantizando que este se encuentre nivelado, todo esto con el
propósito de evitar posibles errores.
2. Conectar el tubo de salida en el tanque volumétrico y el tubo de suministro
del banco hidráulico. Para evitar que esto se mueva se debe fijar el extremo
de las tuberías.
3. Lo siguiente es abrir las válvulas de flujo del banco hidráulico y del banco de
prueba permitiendo el flujo constante de agua para purgar el sistema.
4. Con el propósito de realizar correctamente la purgación del sistema se debe
variar el flujo de entrada de agua eliminando así las burbujas de aire del
sistema en el cual estamos realizando el experimento, ya que esto causaría
errores en la medición.
5. Después se conecta la bomba manual a la válvula de entrada de aire se va
abriendo lentamente la válvula para permitir la entrada de volumen de agua
y cuando los manómetros se encuentren a una determinada altura
conveniente en la que se puedan realizar las mediciones, se cierra la válvula.
6. Posteriormente se ajusta el flujo de agua para que la medición realizada por
el rotámetro indique el correspondiente caudal máximo, se toman las
respectivas lecturas de los manómetros.
7. El tanque volumétrico del banco hidráulico se cierra para que almacene de
esta manera 10 litros de agua y se mide el tiempo que tarda en almacenar

6. dicha cantidad, este procedimiento se realiza tres veces para cada cambio
de caudal.
8. Finalmente se realiza una reducción del flujo de agua repitiendo los pasos 6
y 7 del procedimiento, y se realizan las mediciones para diez caudales
diferentes con las respectivas lecturas de los manómetros y el tiempo en que
tarda en almacenar los diez litros de agua en el tanque volumétrico.
Para describir correctamente el proceso y el funcionamiento del montaje en esta
práctica es necesario tener en cuenta cómo opera cada uno de los 3 medidores de
caudal que son utilizados en esta práctica de laboratorio.
Método de la medición del caudal por placa de orificio.
Este consiste en una placa con un orificio que se interpone al flujo en la tubería,
esta obstaculización genera un cambio de área antes y después del orificio lo cual
se traduce en una pérdida de energía que al mismo tiempo produce un cambio en
las presiones y debido a esta pérdida de presión hay un aumento en la velocidad
por conservación de caudal. La placa de orificio mide la diferencia de presiones
cuando el fluido pasa por el orificio.
Método de la medición del caudal por tubo de Venturi.
Cuando el fluido pasa a través del tubo de Venturi, este origina una pérdida de
presión ya que disminuye el área y el fluido aumenta su velocidad pero el caudal se
mantiene, por lo cual si se efectúa una medición con un manómetro o cualquier otro
instrumento para medir la presión se puede registrar la perdida de esta en el tubo y
de esta forma calcular el caudal.
Método de la medición del caudal por área Variable.
Este método consiste en un tubo vertical por el cual fluye líquido, a lo largo de este
instrumento el radio aumenta gradualmente desde el fondo hasta la parte más alta,
en el interior del dispositivo se encuentra una pesa suspendida durante cierto tiempo
debido al fluido ascendente, esta se mueve libremente dentro del tubo; a medida
que el caudal aumenta o disminuye la pesa se mueve, cuando queda suspendida y
en equilibrio se debe medir el lugar en el que quedó ubicada y este dato medido
será la magnitud del caudal.

7. Datos tomados
Volumen
Tiempo
(s)
Prom
tiemp
o
Area
variab
le
h1
Venturi
(entrada)
h2
Venturi
(Sección
reducida)
h3
Venturi
(salida)
h4
rotametro
(Entrada)
h5
Rotámetro
(Sección
reducida)
h6
Orificio
(Entrada)
h7
Orificio
(Sección
reducida)
h8 Orificio
(Sección
aumenta)
1 2
88,70
88,89 2 164 162 163 164 110 110 109 10989,10
88,87
2 3
51,70
52,11 4 173 167 169 168 116 117 113 11452,46
52,16
3 4
49,58
50,19 6 182 167 175 173 119 120 112 11550,10
50,89
4 5
46,41
46,32 8 194 168 183 177 123 124 110 11546,25
46,30
5 6
36,51
36,66 10 207 168 192 185 129 130 117 11537,52
35,95
6
5
29,36
28,96 12 226 168 203 194 135 137 104 11528,98
28,55
7
24,71
24,73 14 246 167 216 203 142 146 98 11424,69
24,80
8
21,25
21,26 16 268 165 232 234 151 156 93 11421,21
21,32
9
18,70
18,72 18 295 160 248 226 162 167 86 11418,75
18,71
1
0
16,79
17,12 20 320 154 266 239 172 180 78 11317,35
17,22

8. Cálculos
Cada muestracorresponde auna carga correspondienteenL/minypara cada una de lascuales, se
tomóun volumen de 2,3,4,5,6 litrosque esigual a 0,00L 𝑚3, y tresdiferentes tiempos parasacar
un promedioentre estos. Losregistros debencontenerlasochomedidas de alturadel aguaen
cada tubo, tomadas enel momentode larealización de lapráctica, losdatos sonde lo
caudalímetrosutilizados enlapráctica, lascuales estándistribuidas de lasiguiente manera:
Las tres primeras medidas obtenidascorresponden al medidorVenturi, lassiguientes dosal
rotámetroy lasúltimastressonde laplaca de orificio.
Para el medidorVenturi se hacendoscálculos, el primeroesel cálculode lalecturadel medidor
Venturi (h1- h2), que es el resultado de laresta de la primeracon lasegundalecturay el segundo
esel cálculoes el de la perdidaque se presentaenel medidorde Venturi (h1-h3), que es el
resultado de larestade laprimeracon la terceralectura, para el cálculode la perdidade que hay
enel rotámetro(h4-h5), ), que es el resultado de larestade la cuarta con la quintalecturay por
último.
Para el de placade orificiose hacendoscálculos, el primeroesel cálculode lalecturade laplacade
orificio (h6 – h7), que es el resultado de la resta de la sextacon la séptimalecturay el segundoes
el cálculoesel de la perdidaque se presentaenlaplacade orifico(h6-h8), que es el resultado de la
resta de la sexta con la octava lectura.
Lecturas en mm
lectura del
medidor de
venturi
h1-h2
perdida de
venturi
h1-h3
perdida de
metro de area
variable h4-h5
lectura de
placas de
orificio
h6-h7
perdida
placa de
orificio
h6-h8
2 1 54 1 1
6 4 52 4 3
15 7 54 8 5
26 11 54 14 9
39 15 56 13 15
58 23 59 33 22
79 30 61 48 32
103 36 83 63 42
135 47 64 81 53
166 54 67 102 67

9. Se prosigue a calcularel caudal de cada muestra,conla siguiente formula 𝑄 𝑡 =
𝑉
𝑇
.Despuésse
calculael caudal para cada uno de loscaudalimetros:
 Caudal de rotámetro:
𝑄 𝑎 =
𝑚3
𝑠
 Caudal de placa de orificio:
𝑄 𝑜 =
(𝐴2 ∗ 𝐶 𝑑) ∗ 𝑉
√1 − (
𝐴2
𝐴1
)2
 Caudal de medidor Venturi:
𝑄 𝑡 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑢𝑟𝑖𝑜 =
(𝐴2 ∗ 𝐶 𝑑)∗ 𝑉
√1 − (
𝐴2
𝐴1
)2
 Velocidad teórica: V=√2 ∗ 𝑔 ∗ ℎ
Muestra Qt (m3/s) Qa (m3/s) Qo (m3/s)
Qt Venturi
(m3/s)
1 2,25E-05 1,35E-03 3,02E-05 4,27E-05
2 5,76E-05 3,45E-03 6,04E-05 7,39E-05
3 7,97E-05 4,78E-03 8,54E-05 1,17E-04
4 1,08E-04 6,48E-03 1,13E-04 1,54E-04
5 1,64E-04 9,82E-03 1,09E-04 1,88E-04
6 1,73E-04 1,04E-02 1,73E-04 2,30E-04
7 2,02E-04 1,21E-02 2,09E-04 2,68E-04
8 2,35E-04 1,41E-02 2,40E-04 3,06E-04
9 2,67E-04 1,60E-02 2,72E-04 3,51E-04
10 2,92E-04 1,75E-02 3,05E-04 3,89E-04
Promedio 1,60E-04 9,60E-03 1,60E-04 2,12E-04

10. Por últimose saca el error que se presentaencada muestra y para cada uno de los caudalimetros
utilizados en el experimento.
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = (
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖 𝑚 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙−𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜
) ∗ 100
Análisis de Resultados
Esta práctica de laboratoriopermite verlascaracterísticasy funcionalidadde 3medidoresde flujo
o caudalímetros comúnmente utilizados:el medidorVenturi,laplacade orificioyel Rotámetroo
medidorde áreavariable.
Al observarlaslecturasde los tresmedidoresse puedeverque enpromediolaslecturassonmuy
parecidas,siendolasdel medidorVenturi ylaplacade orificiolascercanasentre sí.Sinembargo,
enel caso particulardel presente laboratoriolaslecturaspromediode los 3 caudalimetrosestán
muy por encimadel valorteórico,esto se ve reflejadoenlos altosvaloresde losporcentajesde
error de losmedidores.
Por otro lado,teóricamenteel medidormásexactoesel tuboVenturi,seguidoporel Rotámetroy
la placade orificio,loscualestiene unaexactituddel ordendel 0.75%,2% y entre el 1% y el 21%
respectivamente,sinembargoloscálculos de laboratorioarrojaronque laplacade orificioesla
más exactapuesel porcentaje de erroresel más pequeñode los3,este errores debidoala
presenciade burbujasdentrodel sistemalascualesfueronlosuficientemente pequeñascomo
para pasar inadvertidasporlosrealizadoresdel laboratorio.
Rotámetro Orificio Venturi
29.42 8.92 38.31

11. Conclusiones.
El porcentaje de error aumenta debido a equivocaciones cometidas durante el
procedimiento del ensayo, un ejemplo de esto es la incertidumbre en la medición de
los manómetros y las burbujas presentes en el sistema por un mal proceso de
purgado. Para disminuir estos fallos se debe tener la debida precaución al momento
de purgar el sistema y también se debe tener en cuenta que se debe esperar un
tiempo considerable antes de realizar las respectivas lecturas ya que al sistema en
si le toma un determinado tiempo estabilizarse, otro aspecto que cabe destacar era
que la escala de medición que proporcionaban los manómetros no poseían las
subdivisiones suficientes para realizar una lectura confiable y debido a esto varias
veces fue necesario que se aproximaran los datos a uno de los extremos en la
escala. A la hora de realizar cálculos todos estos errores pueden generar distorsión
y generar alteraciones erróneas en los resultados.
Se evidencia una pérdida de energía en los conductos a presión causada por el
recorrido que hace el agua por estos y la perdida de energía para caudales mayores
es mucho más alta para la placa de orificio que se encuentra en la parte final de la
serie. Esta pérdida de energía está asociada al cambio de dirección en el flujo y la
reducción en el área del conducto.
Otro aspecto que contribuye negativamente y aumenta los porcentajes de error es
el mal ajuste de las diferentes herramientas que se utilizan en la práctica, un ejemplo
de esto es la nivelación del sistema de tubería.
Se logró conocer la manera y las características de la medición del caudal de un
fluido teniendo en cuenta aspectos como la perdida de energía y la precisión.
El método de la placa de orificio es el método menos recomendado ya que respecto
a la perdida de velocidad es muy eficaz pero en cuanto a la perdida de energía
debido a su ubicación en la parte superior es el más deficiente en este aspecto, y el
que más difiere del caudal real.
Después de todo no se puede decir que hay un único método para medir el caudal,
debido a que todos tienen un punto en el cual pueden llegar a ser muy eficaces pero
no en su totalidad, por lo tanto se concluye que todos los métodos en conjunto hacen
que la medición de un caudal sea más eficiente tomando todas las variables en
cuenta y sabiendo cuales son los pro y los contra de cada método.

12. Bibliografía
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http://www.ecured.cu/Ecuaci%C3%B3n_de_Bernoulli. [Consultado el 15 de Abril
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[1] Teaching manual, flow meter demostration, F1-F21, issue 2 July 1999,
Armfield, Citado el 16/04/16, Disponible en línea para estudiantes de mecánica
de fluidos Universidad Javeriana Cali.
[2] Steven Moreno, Yeferson Coral, Medidores de flujo en conductos cerrados,
Universidad del Valle, Facultad de Ingeniería, Noviembre de 2013, Citado el
16/04/16, Disponible [en línea] en:
Http://es.slideshare.net/stevenmoreno/medidores-de-flujo-en-conductos-
cerrados