ITESM CEM Prctica 1B: Flujo Compresible (Tubo de Pitot)

Campus Estado de Mxico

Laboratorio de Operaciones Trmico MecnicasPractica 1BFlujo Compresible (Tubo de Pitot) Mercedes Guerrero Noriega

A01163257

Mara Gabriela Garca Kunz

A01163534

Amanda Bermdez Garca

A01163472

Xiadani Scarlett Mancilla TolsA01181665

Luis Berumen Martnez

A01162721

Pierre Miranda HerreraA01169162

Profesor: Rayzuly Nava HuertaFecha de Entrega: 04 de febrero de 2014Grupo 1Introduccin Objetivo: Medir la velocidad de un flujo con un anemmetro y un tubo de Pitot para posteriormente compara los instrumentos.El propsito de esta prctica es poner a prueba dos diferentes mtodos para la medicin de la velocidad de un flujo. Los dos instrumentos que se utilizaran sern un anemmetro que mide la velocidad directa del flujo y un tubo de Pitot; el cual mide presin y a partir de la cual se puede calcular velocidad de flujo. As mismo, en esta prctica se podr encontrar diferencias de medicin entre ambos mtodos y determinar el error de medicin ya que la forma de operar de ambos es diferente. Marco TericoEl Tubo de Pitot es un tubo hueco de seccin circular de pequeo dimetro, doblado en L. Su eje se alinea en la direccin del flujo como se muestra en la Figura 1. Cuando el tubo de Pitot se conecta a un transductor de presin como por ejemplo un manmetro de columna, la presin leda corresponde al punto de estancamiento, punto E en la Figura 1, en dicho punto la presin es P0 y la velocidad es cero. De manera ms fsica la presin de estancamiento en una partcula de fluido en un punto determinado, es la presin que sta alcanzara si fuera frenada hasta el reposo sin ninguna prdida de energa. Si se aplica la ecuacin de Bernoulli al punto de estancamiento y a un punto a distancia de la sonda en donde la presin es P y la velocidad V, obtenemos:

Ec. 1Figura 1. Tubo de Pitot

Si se combina el tubo de Pitot con un tubo piezomtrico que permita medir la presin esttica en el punto 0, se puede relacionar la diferencia de las presiones medidas mediante la Ecuacin 2.

Ec.2

Donde es la densidad del lquido del manmetro, es la densidad del aire, h indica la lectura del manmetro y C es el coeficiente de velocidad, el cual se considera aproximadamente 1.La combinacin del tubo de Pitot y el tubo piezomtrico se conoce como tubo de Pitot-Prandtl, se muestra en la Figura 2. En este tubo se puede medir de forma directa la presin dinmica.Figura 2. Tubo de Pitot-Prandtl

Por otro lado, un anemmetro es un instrumento que se utiliza para medir la velocidad del viento. Este aparato es comnmente utilizado en la industria elica, para aeronaves ms pesadas que el aire. Durante esta prctica se medir la velocidad de flujo de un fluido compresible (aire) por medio de un tubo de Pitot y se comparar con las medidas obtenidas por un anemmetro.

DFD

ResultadosEn la Tabla 1, se muestran los resultados de la presin dinmica medida por un tubo de Pitot utilizando el ventilador a diferentes velocidades, as mismo se muestra la velocidad calculada con la Ecuacin 2 y se reportan las velocidades arrojadas por el anemmetro, adems se muestra el error porcentual de la velocidad medida por ambos instrumentos.Tabla 1. Velocidades calculadas usando la presin dinmica en el tubo de Pitot, velocidades medidas por el anemmetro y error porcentual de ambos instrumentos.

Velocidad del ventiladorPresin dinmica medida por tubo de Pitot [kPa]Velocidad calculada a base de la presin dinmica medida por el tubo de Pitot [m/s)Velocidad medida por anemmetro [m/s]Error porcentual de velocidad media por tubo de Pitot respecto a la velocidad anemmetro

Evento 1Evento 2Evento 1Evento 2Evento 1Evento 2Evento 1Evento 2

800.04770.059.00628.78568.358.447.86%4.10%

840.05390.059.56979.43209.3810.152.02%7.07%

900.05930.0910.036712.104812.6721.5520.78%43.83%

940.09240.1112.529613.387717.2420.3927.32%34.34%

1000.13090.1214.913214.513123.8827.4137.55%47.05%

Valor promedio de cinco mediciones:11.4279

15.946

23.19%

Los valores que se utilizaron en los clculos son los siguientes:Presin atm. [KPa]77.9936

Temp. Ambiente [K]293.15

Densidad de aire [kg/m3]1.177

Densidad de lquido de manmetro [kg/m3]786

Dimetro interior de salida [m]0.032

Para realizar el clculo de la presin dinmica, de la Ec. 1, se utiliz nicamente el trmino que representa la presin dinmica (circulado).

Dnde:

Densidad de aire [kg/m3]1.177

VVelocidad medida por el tubo de Pitot [m/s]Vara para diferentes velocidades del ventilador mostradas en la Tabla 1.

Por ejemplo para la velocidad del ventilador 80 en el evento 1se tendra la siguiente expresin:

Para el clculo del error porcentual se utiliza la siguiente ecuacin:

De igual forma ejemplificando para la velocidad del ventilador a 80 en el evento 1 se tiene un error de:

Para determinar el flujo msico del ventilador para las cinco velocidades del motor se utiliza la Ecuacin 3.

Ec. 3Dnde:

Densidad de aire [kg/m3]1.177

Velocidad promedio Vara para diferentes velocidades del ventilador mostradas en la Tabla 1.

Area del tubo tomando en cuenta el dimetro de salida = 0.032 m [m2]0.00080425

Tabla 2. Flujo msico del ventilador utilizando la velocidad promedio de la Tabla 1

Velocidad de motorFlujo msico [kg/s]Errorporcentual

Tubo PitotAnemmetro

800.00842090.00794675.967%

840.00899350.00924362.706%

900.01047960.016196435.297%

940.01226670.017810331.126%

1000.01392750.024275642.628%

Por ejemplo para la velocidad 80 del motor se tendra la expresin siguiente:

Discusin de resultadosMercedes GuerreroLa medicin de la velocidad del aire puede llegar a ser difcil debido a que hay muchas condiciones interfiriendo en este proceso. Para nuestra medicin se utilizaron dos equipo el anemmetro y el tubo de Pitot. Y los comparamos entre ellos. El error porcentual de las mediciones oscila entre 2 y 47% por lo que hay que analizar mayormente el proceso. Ya que dos pueden ser admisibles dentro de cierto rango mientras que las otras tres mediciones a mayores velocidades cuentan con un error mayor y no pueden ser acertadas. El equipo de mayor confiabilidad es el anemmetro, sin embargo se tuvieron dificultades para interpretar los valores de este equipo, ya que son muy cambiantes en muy poco tiempo. Por el lado contrario las mediciones en el tubo de Pitot son mucho ms difciles ya que se requieren mtodos ms complicados y con mayor tcnica para mantener el instrumento de medicin. Por lo que a partir de estos resultados no puede ser interpretado el error de medicin del instrumento ya que muchos otros factores intervinieron en la medicin de la velocidad del aire que se suman al error provocado por el instrumento. Por otra parte si se puede ver la relacin del error porcentual de medicin a medida que aumenta la velocidad por consiguiente si es atribuido dicho error al tubo de Pitot se puede decir que es acertado para velocidades entre 80 y 84 del motor.

Amanda BermdezLas velocidades obtenidas por el tubo de Pitot y las registradas en el anemmetro son cercanas sin embargo existen errores porcentuales significativos de dichas mediciones, esto se debe en gran medida a las variaciones al momento de la elaboracin de la prctica puesto que para obtener la altura en el tubo de Pitot, era necesario mantener la sonda de forma vertical y a una altura ptima de lo contrario el aceite suba hasta derramarse o al contrario no suba. Por otro lado se puede observar que se satisface la ecuacin de Bernoulli [Ec 1] puesto que los clculos reportados en la tabla 1 muestran el incremento en la presin dinmica que es directamente proporcional al aumento en la velocidad del fluido compresible. (McCabe, Smith & Harriott, 1993)Gabriela GarcaEste experimento consisti en comparar las mediciones de flujo tomadas con un Tubo de Pitot y con un Anemmetro.Como se puede apreciar en las tablas de resultados, la diferencia entre mediciones no fue muy significativa en un principio, sin embargo fue aumentando conforme se aument la velocidad del flujo, llegando a tener hasta 42% de error porcentual entre los dos mtodos de medicin.Se cree, en relacin a la experiencia de medicin que el mtodo ms inexacto para esta prctica fue el medir el flujo con el Tubo de Pitot, ya que para tomar un valor se deba esperar a que el lquido dentro del tubo alcanzara un valor mximo, valor que solo alcanzaba durante unos segundos y al final volva a descender de manera rpida, por lo que creemos que mucha de la precisin de medicin se perdi en ese mtodo.El anemmetro por otra parte, es un dispositivo digital que tiene controles electrnicos especficos que permiten tener una lectura mucho ms precisa y sin tantas variaciones del entorno, ya que como valor de respuesta solo se reportaba un nmero, el cual se mantena fijo y no se presta a diferentes interpretaciones por la observacin de varias personas.Xiadani MancillaEn este experimento se pudo comparar el anemmetro y el tubo de pitot con los resultados obtenidos experimentalmente y el clculo de las velocidades.Es importante mencionar que el anemmetro fue el instrumento ms preciso pues es el nico instrumento que puede ser calibrado las veces que sean necesarias para que d un resultado ms preciso (IPEM, 2013). Este aparato se utiliza para medir rfagas de viento, en este caso se utiliz un anemmetro de rotacin cuyo giro proporciona la velocidad del viento, este aparato digital es mucho ms preciso que otros ya que permite un porcentaje de error en la medicin de alrededor de 1% (Info. Agro).El error porcentual que se tuvo experimentalmente en la comparacin de los valores medidos por el anemmetro y el tubo de pitot se pueden observar que son muy altos y el ms alto se presenta con la velocidad ms alta que utilizamos siendo del casi 50%.Luis Berumen El proposito de la practica era comprar dos metodos de medicion de veloidad de flujo. El primer metodo era utilizando un anemometro y el segundo utilizando un tubo de Pitot. De los resultados se puede observar que el error porcentual aumenta comfrme aumenta la velocidad del motor siendo el maximo error porcentual obtenido en una velocidad de 100 y el minimo en de 2.706% en una velocidad de 84.La medicion con el anemometro resulto mas facil ya que al no contar con un soporte para realizar la medicion, le exactitud de la misma dependia del pulso del experimentador para sostener el instrumento. Debdo a la forma de utbo de Pitot, tomar esta medicion resulto mas cansada que la de el anemometro. Se considera que la medicion del anemometro fue mas correcta ya que al ser un instumento cuyo senalamiento es digital es much mas facil ver este resultado que en el tubo de pitot donde esta sujeta a la interpretacion del experimentador. Asi mismo ocurrian ciertas variaciones en las mediciones del tubo de Pitot debido a el movimiento de la mano de experimentador a la hora de sostener el instrumento afectando la toma de medicion. Pierre MirandaA travs de este experimento fue posible comparar el desempeo de anemmetro frente al tubo de Pitot en el clculo de las velocidades del aire.

El anemmetro al ser un dispositivo de funcionamiento electrnico permite aumentar completamente la precisin y la confiabilidad (del orden de 0.5%) de los datos encontrados, debido a que su principio de funcionamiento se basa en seales elctricas oscilatorias (ciclos) que son contadas cuando el viento pasa por el dispositivo mecnico de rotacin y lo hace girar determinando de esta manera la velocidad de la corriente (Gutirrez, 2001). Otra ventaja que presenta el dispositivo es que incorpora sensores trmicos para indicar precisamente las condiciones del aire o del fluido en ese instante.

Por otra parte el tubo de Pitot es un dispositivo rudimentario que no incorpora control elctrico de ningn tipo. nicamente los sensores son los ojos del experimentador, los mismos que tienen asociados errores grandes debido a las reacciones tardas del cuerpo humano. Adems las pruebas realizadas con este equipo incluan destreza ya que se deba mantener en una posicin de equilibrio la manguera de entrada y perpendicular a la salida del flujo, as como perspicacia para establecer el valor mximo de ascenso del aceite.

Como se observ en los resultados el tubo de Pitot es usado para determinar presin dinmica del aire y a travs de clculos la velocidad del fluido. Pero estos clculos incluyen otras variables que dependen de la temperatura como son la densidad, la cual se estableci a condiciones estndar para el caso del aire (Muoz, s.f.).

Es por esto que los resultados encontrados arrojan errores que oscilan entre 2-47%, lo cual no es deseable dentro de las mediciones de las propiedades de los fluidos tanto para velocidad como para flujo msico.

Conclusiones y recomendacionesMercedes Guerrero Los instrumentos de medicin de la velocidad de un fluido conllevan un error. El tubo de pitot es menos preciso y al ser ms difcil de interpretar y la accin de medir en si misma produce un mayor error que el anemmetro. Para velocidades del motor dentro de 80-84 los dos equipos fueron adecuados. Recomendaciones La medicin con ambos equipos tiene dificultas. Con el anemmetro se puede llegar a un consenso por los valores tan cambiantes en tan poco tiempo, por lo que debe ser evaluado por ms de una persona para llegar a dicho conceso y mantener el instrumento de deteccin perpendicular a la corriente. Similarmente con el tubo de pitot se deben de considerar todas las condiciones tcnicas para que el equipo mida de manera adecuada y el valor obtenido es el mximo dentro del tubo.

Amanda BermdezConclusiones Con los datos obtenidos del tubo de Pitot se logr calcular la velocidad as como la presin dinmica de un fluido compresible (aire). Ambos instrumentos son tiles para la medicin de velocidades de un fluido compresible dentro de un tubo sin embargo el anemmetro es ms preciso que el tubo de Pitot puesto que los valores obtenidos a partir de ste ltimo varan en funcin de la altura y la posicin de la sonda. Recomendaciones Si se requiere hacer clculos de forma rpida y precisa se recomienda utilizar el anemmetro ya que es un instrumento digital y proporciona el valor de la velocidad directamente. Gabriela GarcaConclusionesAmbos instrumentos permiten una aproximacin a la medicin de un flujo.El anemmetro es el instrumento que presenta mayor precisin.El error experimental se pudo haber debido a la variacin de los valores del Tubo de Pitot, y a la falta de un dispositivo fijo para soportar el dispositivo.RecomendacionesEn el caso del Tubo de Pitot, realizar ms repeticiones para asegurar un valor que tenga repetitividad y reproducibilidad.Para mediciones rpidas y que no puedan tener varias repeticiones, se recomienda usar el anemmetro para mejorar la precisin y tener un valor especfico.Integrar un instrumento que pueda sostener el dispositivo del Tubo de Pitot en una posicin fija, ya que al usar el brazo de las personas tomando las mediciones, causaba variacin.Xiadani MancillaConclusionesDebido al alto porcentaje de error que se obtuvieron en cada una de las mediciones en diferentes velocidades se puede observar que el anemmetro es el instrumento ms confiable para este experimento debido a que tiene un sistema digital. El tubo de pitot es un instrumento rudimentario que permite variaciones por la colocacin del tubo, el grado de inclinacin o el movimiento de la mano al medir.RecomendacionesEn la medicin con el tubo de pitot se recomienda una base que soporte el tubo por donde pasa el aire para evitar la variacin del resultado por el movimiento de la mano.Para el anemmetro podramos confirmar que este bien calibrado con otro anemmetro ms nuevo para asegurar la precisin y exactitud de los resultados.Luis Berumen Conclusiones El anemometro es un instrumento mas preciso. El objetivo de la practica se obtuvo al comprar correctamente los dos metodos de medicion Se obtuvo una varicacion grande entre los dos metodosRecomendaciones Utilizar un soporte para detener tanto el anemometro y el tubo de Pitot para mejorar la precision Utilizar el anemometro al tener menos error.Pierre Miranda Conclusiones El anemmetro fue el dispositivo que present mejores resultados debido a su principio de funcionamiento electrnico y no visual. Existieron errores relativos en promedio del 23% lo que involucra errores en la instrumentacin y errores por parte del experimentador. El tubo de Pitot permite medir directamente la presin dinmica de un fluido e indirectamente su velocidad.Recomendaciones Para futuras mediciones de velocidad de fluidos se recomienda el uso del anemmetro, tomando siempre en cuenta que los sensores del mismo estn calibrados, para evitar de esta manera mediciones incorrectas. Reducir los errores experimentales al colocar a travs de algn dispositivo fijo como un soporte universal la manguera de entrada al tubo de Pitot.

CuestionarioMenciona al menos 10 instrumentos de medicin directa de presin, temperatura y flujo que encontraste en el laboratorio.Anemmetro, termmetro de mercurio, termopar, pistola medidora de temperatura, manmetro de tubo inclinado, manmetro tubo Bourdon, termmetro de sustancia verde, vacuo metro, barmetro. 2.Presenta el valor de velocidad de aire soplado por ventilador o soplador y el clculo de error de medicin en casos de tubo de Pitot y anemmetro. Compara los valores obtenidos.Velocidad del ventiladorPresin dinmica medida por tubo de Pitot [kPa]Velocidad calculada a base de la presin dinmica medida por el tubo de Pitot [m/s)Velocidad medida por anemmetro [m/s]Error porcentual de velocidad media por tubo de Pitot respecto a la velocidad anemmetro

Evento 1Evento 2Evento 1Evento 2Evento 1Evento 2Evento 1Evento 2

800.04770.059.00628.78568.358.447.86%4.10%

840.05390.059.56979.43209.3810.152.02%7.07%

900.05930.0910.036712.104812.6721.5520.78%43.83%

940.09240.1112.529613.387717.2420.3927.32%34.34%

1000.13090.1214.913214.513123.8827.4137.55%47.05%

Valor promedio de cinco mediciones:11.4279

15.946

23.19%

3.Indica el flujo msico para al menos 5 velocidades de motor.Velocidad de motorFlujo msico [kg/s]

Tubo PitotAnemmetro

800.00842090.0079467

840.00899350.0092436

900.01047960.0161964

940.01226670.0178103

1000.01392750.0242756

4.Cmo funciona el tubo de Pitot?El tubo de Pitot es un instrumento de medicin que mide la velocidad de flujo de un fluido en base a la presin. El tubo de Pitot contiene una apertura que se coloca en direccin del flujo y dentro del tubo el flujo se estanca generando presin. En base a la ecuacin de Bernoulli se puede calcular la velocidad de flujo. 5.Estime el error experimental.Velocidad de motorErrorExperimental

805.967%

842.706%

9035.297%

9431.126%

10042.628%

BibliografaGutirrez, J. (2001). Anemmetro. Universidad de Guadalajara: Departamento de ingeniera electrnica. Obtenido de http://proton.ucting.udg.mx/materias/ET201/modulo_11/2008A/Anemometro.pdfInfo Agro. (febrero,2013). Anemmetro. Recuperado de http://www.infoagro.com/instrumentos_medida/doc_anemometro_velocidad_viento.asp?k=80IPEM. (2013, mayo). Anemmetro. Recuperado de http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/anemometro.htmlMcCabe, W., Smith, J., & Harriott, P. (1993).Unit operations of chemical engineering. (5th ed., p. 120). McGrawHill.Muoz, M. (s.f.). Instrumentacin de la mecnica del vuelo: Gua Introductoria. Obtenido en http://www.manualvuelo.com/INS/INS25.htmlRivas, A., & Sanchez, G. (2008).Caudalmetros y tubo de pitot. Obtenido en www.unav.es/ocw/labfluidosing10708/GPL_1_Spanish_07_08.pdf

P1B2014_LOTM 5