Calibracion de Sifones

PRACTICA Nº5 CALIBRACION DE SIFONES

1.1

OBJETIVOS.1.1.1 Objetivo General.- El objetivo es familiarizarse con el funcionamiento del sifón para tener un mayor control de agua de riego. 1.1.2 Objetivo Especifico.Determinar la curva de calibración de sifones. Determinar los coeficientes de carga de los sifones. Observar el comportamiento del sifón.

1.2 INTRODUCCION.- El sifón es un tubo acodado, que es muy utilizado en riego superficial, con el de extraer el agua de los canales de ultimo orden, pasando sobre su talud sin romperlo y entrarla en la cabecera del surco o melga. El extremo del lado aguas abajo es generalmente acodado para terminar en forma horizontal, lo que reduce la posibilidad de erosión. Los sifones se pueden conseguir en el mercado o fabricarlos por medios propios. Pueden ser de diferentes diámetros, en función del gasto a manejar y a la facilidad de manipulación. Los materiales más comunes son el polietileno, PVC o el aluminio. No son aconsejables los de polietileno claro, que por su sensibilidad a los rayos solares duran poco tiempo. El uso de los sifones goza de gran popularidad, pues permite el cambio fácil y frecuente del agua de un surco a otro. Esta no es su única utilidad pues también permite de una manera rápida y sencilla conocer el gasto que se está entregando y de esta forma lograr un mayor aprovechamiento del agua y aumentar la eficiencia del sistema.

Lab. Hidraulica 1 Grupo 1

Velásquez Baldiviezo Yamil Gustavo

1.3 FUNDAMENTO TEORICO.1.3.1 Sifón.- Sifón, sistema de tubos o cañerías, empleado para transportar un líquido desde un recipiente hasta otro situado más abajo, a través de un punto intermedio de altura superior a ambos recipientes. Cuando ambas ramas del sifón están llenas, el peso del líquido en la rama más larga es mayor que el de la rama más corta, lo que hace que el líquido ascienda por la rama corta, pase por el codo y descienda por la rama larga. El proceso puede iniciarse llenando el sifón de líquido antes de colocarlo en su posición de funcionamiento o succionando por el extremo inferior una vez colocado el sifón. Una vez iniciado, el flujo continuará hasta que el nivel del líquido en ambos recipientes se iguale o hasta que el nivel en el recipiente superior caiga por debajo de la entrada del sifón, con lo que éste aspirará aire y el proceso de sifonado se interrumpirá. El tamaño de los sifones va desde los sencillos instrumentos de vidrio, metal o goma que se utilizan en sistemas de acueductos empleados para transportar líquidos por encima de una elevación o colina, que se basan esencialmente en el mismo principio. Los sistemas de sifonado de gran tamaño, como los empleados en las redes urbanas de distribución de agua, tienen frecuentemente una válvula en su parte más alta para sacar el aire, que bloquearía el flujo de líquido. En un sifón de agua colocado entre dos recipientes en contacto con la atmósfera, la altura del sifón sobre el recipiente superior debe ser menor de 10 m, ya que la presión atmosférica no puede mantener el peso de una columna de agua superior a esta altura. Ocasionalmente se emplean sifones invertidos (en forma de U) para transportar agua a través de un valle. También se emplean en instalaciones de fontanería, que en otros países se denomina plomería, para crear un ‘cierre de agua’ que impide el paso de malos olores.



1.3.2 Sifones en canales.- Un canal en su trayectoria alcanzará en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser superados con estructuras elevadas (acueductos), sea por razones técnicas como económicas, por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido.

Figura 4-1 - Esquema de un sifón invertido superficial

Cuando en la trayectoria de un canal se presenta una depresión en el terreno natural se hace necesario superar esa depresión con un sifón o con un puente que se denomina acueducto.



Figura 4-2 La decisión que se debe tomar sobre cual de las dos estructuras es mejor en un caso determinado depende de consideraciones de tipo económico y de seguridad.

El canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que trabajarán bajo presión. Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados.

Las estructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trincheras, túneles o galerías, los cuales permiten una mejor accesibilidad.

Las estructuras enterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada.



El sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su diseño deberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados.

Las estructuras de entrada y de salida contarán en ambos casos con rejillas y elementos de cierre rápido, que permitirán el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.

Figura 4-3 - Transiciones de entrada y salida

El área de la sección transversal de un sifón viene determinado de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de flujo.

La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puede variar entre 2 a 4 m/s , para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentación.

Sin embargo la velocidad de flujo está asociada también al tipo de material del conducto



Se considera los siguientes valores:

 

Conductos de fábrica 1.0 a 1.5 m/s Tubos de hormigón 1.5 a 2.5 m/s

En todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante la operación del sistema. El diseño hidráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las pérdidas de carga, locales y por fricción en el conducto.

Entre las pérdidas locales se considerarán principalmente pérdidas en la estructura de entrada, en los cambios de dirección o codos y en la estructura de salida.

El cálculo se realizará para cada sección de conducto considerado hasta obtener niveles de pérdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidráulicamente eficientes del sifón y represente el menor costo posible.

El uso de los sifones goza de gran popularidad, pues permite el cambio fácil y frecuente del agua de un surco a otro.

Esta no es su única utilidad pues también permite de una manera rápida y sencilla conocer el gasto que se esta entregando y de esta forma lograr un mayor aprovechamiento del agua y aumentar la eficiencia del sistema.



figura 4-4

El gasto que entrega el sifón es directamente proporcional a su diámetro y a la raíz cuadrada de la diferencia el nivel (H) entre el agua del canal abastecedor y el centro del sifón a la salida si la descarga es libre, o de la elevación de la superficie del agua si la descarga es ahogada.

El sifón para riego puede ser considerado como una tubería de tamaño intermedio y para su análisis, deberán ser consideradas tanto las pérdidas localizadas como las de fricción.

Ecuación para la determinación del caudal

Q = CA

2 gH

Ecuación 4.1

Que igual a la expresión del gasto en un orificio y en donde:



Q = Gasto del sifón, en m3/s. C = coeficiente de gasto, adimensional. A = Área de la sección transversal del sifón, en m2 g = Aceleración de la gravedad, en m/s2 H = Carga del sifón, en m.

La expresión del gasto indica que este se puede determinar si se conocen las características geométricas y la carga H.

En el campo, el caudal suministrado a los curcos puede ser controlado variado o bien el numero de sifones, o la elevación de la salida.

Para determinar el coeficiente de gasto en la ecuación se puede utilizar la expresión.

C = 0,5372

D4/3 16,679 2n C 02 L  0,2886D 4 / 3

Donde:

C = Coeficiente de gasto, adimensional. Co = Coeficiente por entrada, adimensional (aproximadamente 0,83) D = Diámetro interior del sifón, en cm. n = Coeficiente de rugosidad de Manning, adimensional: n = 0,008 (aluminio y polietileno) Lab. Hidraulica 1 Grupo 1


L = Largo del sifón, en m.

Para que el sifón funcione es necesario introducirlo total o parcialmente en el canal; estando sumergido, se tapa el extremo de la salida con la palma de la mano se gira rápidamente dejándolo sobre el talud, cuidando que la entrada no queda fuera del agua y al salida quede a un nivel mas bajo que el nivel de la superficie del agua en el canal: hecho esto, el agua corre en forma continua.

La fuerza debida a la presión atmosférica es la que da lugar a la acción de sifón, manteniendo el flujo en forma continua. 1.4 PROCEDIMIENTO.- En la figura se muestra el esquema de la instalación que se utilizara para realizar la calibración de sifones en el laboratorio. La misma se encuentre ubicada en el dispositivo utilizado para la calibración de vertedores de pared delgada, y consta de los siguientes elementos. -

Tanque de carga constante. Este se logra colocando una

compuerta deslizante

vertedora en el canal de aproximación del vertedor. La entrada de agua se regula con la válvula de 150 mm de diámetro colocada a la entrada. -

Mecanismo elevador. Es un soporte para colocar el sifón que tiene la posibilidad de

deslizar para ajustarlo verticalmente, lo cual permite variar la carga de agua en el sifón en una forma muy fácil.



-

Recipiente aguas abajo. Tiene la función de colectar el agua que descarga por la salida del sifón y conducirla al tanque de aforo. Si se regula la válvula que se encuentra colocada a la salida permite ahogar el sifón y realizar pruebas en estas condiciones.

-

Tanque de aforo.

LOS PASOS QUE SE DEBEN REALIZAR PARA LA CALIBRACION SON LO SIGUIENTES: 1. A cada sifón se le medirá el diámetro interior y la longitud; además, se tomara nota del material de que esta construido. 2. se ponen a funcionar las bombas y se establece un nivel en el tanque de carga constante la válvula de entrada. Hecho esto, se evaluaran diferentes gastos con su correspondiente carga se la siguiente manera. a) Se pone a funcionar el sifón dejándolo a la mayor altura posible ( mínima carga) sobre la barra deslizante. b) Se mide le gasto, Q, por el método volumétrico. c) Medir la carga sobre el sifón (H). Para descarga libre, es la diferencia de niveles entre la superficie libre del tanque de carga constante y el centro de la sección transversal del sifón en la descarga. Para descarga ahogada, la diferencia de niveles aguas arriba y aguas abajo medidos en los piezómetros. d) Mediante la barra deslizante, se ira bajando el sifón (aumentando la carga) a distancias convenientemente separadas. Si la descarga fuese ahogada, la carga se aumentara disminuyendo el nivel de aguas abajo. El procesamiento de los datos experimentales debe seguir el siguiente orden: 1. Calcular el gasto a partir del volumen y el tiempo registrados. 2. Obtener el coeficiente de gasto empírico C, a partir de la expresión 24.3. 3. Determinar la ecuación Q vs. H experimental: Q = K Hn



4. Determinar la ecuación C vs. H experimental: C = M Hx El modelo 24.1 facilita la anotación y procesamiento de los datos experimentales. 1.5 MATERIAL USADO EN LA PRÁCTICA.

Tanque de aforo.- Recipiente de acero en donde se almacena agua el agua que sale del sifón.



Termómetro de mercurio.- Este instrumento se uso para medir la temperatura del agua utilizada en la práctica.



Flexo.- Es un instrumento para medir longitudes pero es menos exacto y preciso que el pie de rey





Cronometro.- Instrumento de medición del tiempo, nos sirve para la medicion del tiempo que tarda el agua en tomar una cierta altura en el tanque de aforo



Tubos.- Sifones de varios diámetros y tamaños, sirven para conducir agua de un lugar a otro



Tanque de almacenamiento de agua suministrado por una bomba.- Tanque especial para el alojamiento de agua que suministra una bomba

1.6 DATOS.Material Diámetro interior Longitud Aceleración de gravedad


D: L: la g:

38,1 3,01 9,81

mm m m/s


Los tiempos para cada caudal son: tiempo (s) 1 2 3 4

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

6 7,1 7,2 7,9

7,7 8,2 7,2 8,8

7,7 7,4 7,8 7,9

9,5 9,1 9 9,6

10 10,1 9,9 10,5

Las alturas del tanque de aforo al y el centro de la sección transversal del sifón para cada caudal. h1 14

h2 22,5

h3 31

h4 39,6

h5 47,5

1.7 CÁLCULOS Y RESULTADOS.Se sacó la media del tiempo para cada caudal. tiempo (s)

t1

t2

t3

t4

t5

1

6

7,7

7,7

9,5

10

2

7,1

8,2

7,4

9,1

10,1

3

7,2

7,2

7,8

9

9,9

4

7,9

8,8

7,9

9,6

10,5

SUMA

28,2

31,9

30,8

37,2

40,5

MEDIA

7,05

7,975

7,7

9,3

10,125

Los cálculos para la descarga libre son:



DESCARGA LIBRE OBSERVACIONES Altura tanque h (cm) 3 3 3 3 3

RESULTADOS Tiempo Carga sifón t (s) H(m) 7,05 0,633 7,975 0,548 7,7 0,463 9,3 0,377 10,125 0,298

Gasto Coeficiente Q (m3/s) C 0,00255723 0,63652325 0,00226063 0,60476169 0,00234136 0,68143435 0,00193855 0,625247 0,00178059 0,64595472

El volumen para cada caudal fue: 0.0180285 m³ El caudal se obtuvo con el volumen y el tiempo registrado. La carga sifón será igual a la diferencia de 77.3 cm y cada altura medida. Para sacar el coeficiente de descarga de gasto empírico se utilizo:

Q vs. H

0.002

0.003

2 gH

0

0.001

Caudal (m3/s)

Q = CA

0 0.1 0.2 y = 0.0022x + 0.0011 R² = 0.8951


0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Carga del sifon (m)


0.8 0.6 0.4 0.2 0

carga del sifón (m)

H vs. Q

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

caudal (m3/s)

0.7

C vs. H

0.6

0.65

coeficiente de gasto

0 0.0005 y = 401.62x - 0.41 R² = 0.8951

0


0.1 0.2 y = -0.0466x + 0.6604 R² = 0.0477

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

carga de sifon (m)


0.5 0

carga de sifón (m)

1

H vs. C

0.6

0.61

0.62 0.63 y = -1.0245x + 1.1182 R² = 0.0477

0.64

0.65

0.66

0.67

0.68

0.69

coeficiente de gasto

1.8 CONCLUCIONES.Nos permitió conocer más acerca del funcionamiento de los mismos y su método de aplicación.

Permite conocer algunas propiedades de los sifones, así como el uso de algunas fórmulas para su cálculo.

El valor del coeficiente C es un poco diferente en cada uno de los sifones debido a que puede que el material sean un poco más rugoso por esa razón la diferencia. Los coeficientes de calibración no fueron los mismos según los resultados obtenidos, esto puede ser debido a la mala lectura de los tiempos. La falta de precisión puede afectar en los resultados.

1.9 BIBLIOGRAFIA.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE HIDRAULICA http://es.wikipedia.org/wiki/Sif%C3%B3n http://foros.construaprende.com/disenode-sifones-vt5463.html



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