coreccionP03 - Orificio

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA

Orificio

Guías de Prácticas de Laboratorio

Codificación: PIC-LH1-P03 Número de Revisión No.: Páginas: 0 16 Fecha Emisión: (2010/08/05)

Laboratorio de: Hidráulica Título de la Práctica de Laboratorio: Orificio

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Orificio Control de Cambios Razones del Cambio

Cambio a la Revisión #

Fecha de emisión



Orificio 1

FACULTAD O UNIDAD ACADÉMICA:

Facultad de Ingeniería 2

PROGRAMA:

Programa de Ingeniería Civil 3

ASIGNATURA:

Laboratorio de Hidráulica I 4

SEMESTRE:

(VI) Sexto Semestre 5

OBJETIVOS:

El objeto de esta práctica es estudiar el comportamiento de un orificio teniendo en cuenta la aplicación de las ecuaciones de continuidad y energía. Realizar comparaciones entre los valores obtenidos en la práctica y los tabulados en los libros. 6

COMPETENCIAS A DESARROLLAR:

6.1 CONCEPTUALES 1. Definir los usos y clasificación de los orificios. 2. Determinar el coeficiente de contracción (  ) y el coeficiente de velocidad (  ). 3. Realizar el informe con los datos tomados en el laboratorio dando respuesta a las preguntas que se formulan para esta práctica. 4. Definir Caudal a la salida de un chorro mediante el conocimiento de la trayectoria del fluido. 5. Determinar el coeficiente de descarga. 6. Conocer la distribución de presiones sobre la pared de la tubería y sobre la pared del orificio. 7. Comprobar la ecuación de la trayectoria del chorro.





6.2 PROCEDIMENTALES El uso no autorizado de su contenido así como reproducción total o parcial por cualquier persona o entidad, estará en contra de los derechos de autor Página 3 de 16


Orificio 1. Ampliar los conceptos adquiridos, con el fin de fomentar progresos tecnológicos a nivel superior en la profesión. 2. Examinar las aplicaciones de la mecánica en los problemas de su profesión 3. Inducir a los estudiantes a mejorar su desarrollo intelectual; a través de la búsqueda de información en diversos medios. 6.3 FORMACIÓN INTEGRAL 1. Aprovechar los conceptos aprendidos en el desarrollo tecnológico y científico de la sociedad 2. Fomentar el interés por el conocimiento de las bases científicas de su profesión 3. Suscitar el trabajo colectivo en forma adecuada, teniendo como base la participación activa y el respeto. 4. Originar un mayor interés en el trabajo individual, con el fin de aprovechar las capacidades de cada persona. 5. Incitar al estudiante a obtener conclusiones claras e interesantes sobre la práctica realizada. 7

MARCO TEÓRICO:

Este estudio tiene importancia en la aplicación práctica en el aforo de caudales; en tal caso la determinación del caudal que fluye puede obtenerse mediante la medición de trayectorias magnitudes lineales y la aplicación de fórmulas. El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un depósito o pasa a través de una tubería. El orificio en el caso de un depósito, puede hacerse en la pared o en el fondo. Es una abertura generalmente redonda, a través de la cual fluye líquido y puede ser de arista aguda o redondeada. El chorro del fluido se contrae a una distancia corta en orificios de arista aguda. Las boquillas están constituidas por piezas tubulares adaptadas a los orificios y se emplean para dirigir el chorro líquido. En las boquillas el espesor de la pared debe ser mayor entre 2 y 3 veces el diámetro del orificio.







Orificio

Figura 1: Esquema de orificio de pared A través de este sistema es posible estudiar el movimiento de las partículas al determinar las características cinemáticas en cada punto de un flujo. Es decir, encontrar la velocidad en cada punto, a medida que el tiempo avanza, como es el caso del montaje diseñando para esta práctica. La vena líquida o trayectoria de un chorro a la salida de una tubería puede ser descompuesta según los ejes horizontal ( ) y vertical ( ). El primero se encarga de determinar el movimiento uniforme y el segundo el movimiento acelerado, debido al a acción de la gravedad. Las ecuaciones de estos movimientos son:





         

        

Sustituyendo el valor de de la ecuación 1 en 2, tenemos:

     





De acuerdo con lo anterior el caudal será:

   

El caudal debe quedar=

  

Este sistema hidráulico se constituye como uno de los procesos más simples para el aforo de caudales, en el caso de descarga libre.



Orificio En la ecuación 4, corresponde al área hidráulica del orificio (a tubo lleno). Si el tubo no funciona con la sección de salida completamente llena, se debe medir que corresponde a la altura de la lámina de agua.





Entre los aditamentos más usados para medir descarga se tienen los orificios, los cuales constan de una abertura, generalmente circular en una de las paredes de un tanque. Una de sus características es el espesor de la pared el cual es muy pequeño comparado con el tamaño de la abertura. El flujo que se genera en un orificio nunca se encuentra encerrado por un límite sólido debido al comportamiento de la velocidad del mismo, cuya característica es generar un perfil de velocidad curvo siendo mayor en el centro. Cuando las líneas de flujo convergen a un orificio continúan acercándose aun después de pasar el orificio hasta que esas líneas de flujo se desplazan de una manera paralela. Teóricamente este punto se encuentra a una distancia igual al radio del orificio a partir de este. Este punto de área mínima para el chorro se conoce como vena contracta y a partir de dicho flujo se convierte en divergente por efectos de la fricción entre las líneas de flujo. 7.1 CLASIFICACIÓN DE ORIFICIOS Los orificios cuentan con su propia clasificación la cual corresponde a: 1. 2. 3. 4.

Ancho de la pared Forma Dimensiones relativas Funcionamiento.

A continuación se especifican cada una de estas clasificaciones. 7.1.1 CLASIFICACIÓN DE UN ORIFICIO SEGÚN EL ANCHO DE SU PARED Esta clasificación puede ser delgada o gruesa dependiendo del espesor de la pared, se dice que un orificio es de pared delgada cuando el único contacto entre el líquido y la pared es alrededor de una arista afilada y , como se observa en la Figura 2. Cuando el espesor de la pared es menor que el diámetro ( ) no se requiere biselar, (Figura 2 a)

  





Orificio





Figura 2: Orificios de pared delgada, espesor de la pared del orificio, diámetro del orificio Los orificios de pared gruesa corresponde aquel donde la pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y . Se presenta adherencia del chorro líquido a la pared del orificio.

    

Figura 3: Orificio de pared gruesa 7.1.2 CLASIFICACIÓN DE UN ORIFICIO SEGÚN LA FORMA Esta clasificación depende de la forma en la cual se diseñe la descarga del orificio, con base en lo anterior este tipo de orificios pueden ser: 1. Orificios circulares 2. Orificios rectangulares 3. Orificios cuadrados



Orificio

Figura 4: Formas de Orificios 7.1.3 CLASIFICACIÓN DE UN ORIFICIO SEGÚN SUS DIMENSIONES RELATIVAS Esta clasificación Según Azevedo, N y Acosta, A. Netto compromete las dimensiones relativas del orificio de la siguiente manera:

  .  .

1. Orificios pequeños Si 2. Orificios grandes Si

Donde, Diámetro del orificio. Profundidad del agua hasta el centro del orificio.

 

7.1.4 CLASIFICACIÓN DE UN ORIFICIO SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO Esta clasificación comprende los orificios en caída libre y los orificios de descarga ahogada; los primeros corresponden a Orificios en los cuales el chorro fluye libremente en la atmósfera siguiendo una trayectoria parabólica como se muestra en la Figura 5.



Orificio

Figura 5: Orificio en caída libre El Orificio con descarga ahogada, corresponde al Orificio que descarga a otro depósito cuyo nivel está por arriba del canto inferior del orificio, y por esta razón se dice que la descarga es ahogada. El funcionamiento es igual al orificio con descarga libre, pero se debe tener en cuenta que la carga es entre la lámina de flujo antes y después del orificio como se observa en la figura 7.



Figura 6: - Orificio con descarga ahogada 7.2 VELOCIDAD DEL CHORRO Se define como velocidad promedio a la velocidad que se presenta en la vena contracta, se puede afirmar que la velocidad en este punto es prácticamente constante con excepción de una disminución que se presenta en la parte exterior. Con respecto a la presión es igual a lo ancho del diámetro del chorro donde las líneas de flujo sean paralelas, que además debe ser igual al medio que rodea al chorro en esa sección. El uso no autorizado de su contenido así como reproducción total o parcial por cualquier persona o entidad, estará en contra de los derechos de autor Página 9 de 16


Orificio 7.3 COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN La relación entre el área del chorro y el área del orificio se conoce como coeficiente de contracción:

     Dónde: Área del chorro  Coeficiente de contracción  Área del orificio

    

7.4 COEFICIENTE DE VELOCIDAD Se conoce como coeficiente de velocidad la relación existente entre velocidad teórica esperada (Velocidad ideal  ) y la velocidad real en el orificio.

    

Dónde: Velocidad real del orificio  Coeficiente de velocidad  Velocidad ideal

  

7.5 COEFICIENTE DE DESCARGA Es la relación existente entre la descarga real y la descarga ideal:

    Dónde: Caudal real  Coeficiente de descarga  Caudal ideal

  

Se sabe que,





Y que Q ideal es El uso no autorizado de su contenido así como reproducción total o parcial por cualquier persona o entidad, estará en contra de los derechos de autor Página 10 de 16


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     Por lo tanto

     7.6 DETERMINACIÓN TEÓRICA DE LOS COEFICIENTES La manera más fácil de determinar el coeficiente de contracción consiste en el uso de un calibrador para medir el diámetro del chorro en la vena contracta para luego compararlo con el área del orificio. El coeficiente de contracción es muy sensible a pequeñas variaciones en el borde de ataque del orificio. Si modificamos levemente los bordes del orificio el coeficiente de contracción también variará. La velocidad promedio de un chorro libre puede ser determinada usando un tubo Pitot o también midiendo el caudal y dividirlo por el área transversal del chorro. La velocidad también puede ser determinada a partir de las coordenadas de la trayectoria del chorro. El coeficiente de descarga es el que se puede obtener más fácilmente y con gran precisión. Es también el que genera el valor más práctico. Para un líquido de caudal Q se puede determinar por cualquier método de volumen o peso a través del tiempo. Una vez conocidos dos de los coeficientes, el tercero puede ser deducido de los anteriores. Relación ideal de flujo

                        

Donde es la diferencia en cabeza de energía entre la sección aguas arriba y la sección mínima del chorro. Se debe recordar que la cabeza total de energía esta dada por la ecuación de Bernoulli. El uso no autorizado de su contenido así como reproducción total o parcial por cualquier persona o entidad, estará en contra de los derechos de autor Página 11 de 16


Orificio

           Si la descarga es a la atmósfera como ocurre en nuestro caso la cabeza de presión es, igual a cero. En el caso de un orificio colocado en un conducto a presión se expresa el caudal como:

        



Dónde: Area del orificio  Area del conducto  Presión reinante en un punto antes del orificio  Presión reinante en la sección contraida (después del orificio)

     

También pueden escribirse en una forma más simple:

  

En donde se toma como un coeficiente. 8

MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS, SOFTWARE, HARDWARE O EQUIPOS: 1. 2. 3. 4.

Válvula reguladora de caudal Tubería y piezómetros. Válvula de purga del múltiple. Válvula que conduce al manómetro de Mercurio.



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Figura 7: Esquema General Practica de Orificio

Figura 8: Detalle Orificio 9

PRECAUCIONES CON LOS MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS UTILIZAR:



Orificio 1. Para el trabajo en el laboratorio se debe utilizar protección apropiada para el cuerpo: bata de algodón; tener precaución a la hora de manejar los equipos. 10 CAMPO DE APLICACIÓN: Diseño de sistemas de flujo a presión. 11 PROCEDIMIENTO, MÉTODO O ACTIVIDADES: 1. 2.

3.

4.

5. 6.

Se abre la válvula de 0.0381 m (1 ½”) para que empiece a circular el

caudal por la instalación. Purgar todos los piezómetros de la siguiente forma: a. Mantener abierta la válvula de purga del múltiple. b. Mantener abierta la válvula que conduce al manómetro de Mercurio. c. Abrir una a una las válvulas que comunican a los piezómetros del ramal de la instalación dejando la válvula abierta durante 10 s. y luego proceder a cerrarla e iniciar el mismo procedimiento con los piezómetros restantes. d. Cerrar la válvula de purga e. Cerrar la válvula que conduce al manómetro de Mercurio. Abrir la válvula del múltiple la cual comunica al piezómetro de agua y le manómetro de mercurio, seleccionar la columna del líquido por el cual se van a tomar las lecturas según el rango de presiones, para presiones bajas se utiliza la columna de agua y para presiones altas la columna de Mercurio, estas se seleccionan cerrando o abriendo la válvula que comunica al respectivo fluido con el cual se quiere medir. Para tomar lecturas de presión en la instalación se debe abrir la válvula de bola que comunica al manómetro de mercurio. Para tomar datos de otro punto se cierra la válvula del punto anterior y se abre la del punto de interés sin mover la del manómetro. Utilizando la lámina de acrílico se puede determinar la trayectoria del chorro de agua, tomando como punto de referencia el orificio de salida y midiendo las coordenadas y de la parábola descrita. Cambiar los caudales que circulan por la instalación maniobrando las

 

válvulas de compuerta de 0.0762 m (3”) o 0.0381 m (1 ½”) y repetir el

7.

procedimiento para la toma de datos. Para el caudal máximo se debe realizar las lecturas de 5 puntos en la cuadrícula del tablero de acrílico que indiquen la trayectoria del chorro a la salida del orificio.



Orificio Todos los datos deben ir consignándose en la tabla de toma de NOTA: • datos. La válvula localizada en la parte inferior del múltiple de piezómetros debe permanecer cerrada. 12 RESULTADOS ESPERADOS: Tomando como base los datos para 5 caudales diferentes; se toman 10 datos de presión diferentes; los 7 primeros con agua, el 8 con agua o mercurio dependiendo de la magnitud de la presión, y los piezómetros 9 y 10 con mercurio; además se deben tomar 3 coordenadas (punto ) de cada caudal. Con estos resultados se pasa a realizar los cálculos y analizar.



Medir el caudal que pasa por la instalación por medio de las diferencias de presiones en el piezómetro ubicado antes y después del orificio incrustado en la tubería, se puede utilizar el orificio de la tubería de 0.0381 m (1 ½”), la ecuación de calibración de dichos orificios es la siguiente: Para un orificio de 0.0190 m (¾”) localizado en una tubería de 0.0381 m (1 ½”):

√  Para un orificio de 0.0381 m (1 ½“) localizado en una tubería de 0.0762 m (3”):

 √  Dónde: Caudal ( .) Diferencia de presiones antes y después del orificio (

 



).

13 CRITERIO DE EVALUACIÓN A LA PRESENTE PRÁCTICA: Entrega de informe con las respuestas a las preguntas planteadas en los resultados esperados. 14 BIBLIOGRAFÍA: 14.1 MEDIOS ANÁLOGOS 1. Principios y conceptos de hidráulica (Ed. 2.001, BOTTA). Instituto superior Federico Grote. El uso no autorizado de su contenido así como reproducción total o parcial por cualquier persona o entidad, estará en contra de los derechos de autor Página 15 de 16


Orificio 2. Articulo; tratado del instituto de ingeniería ambiental, Nociones sobre orificios y vertederos, tipos de escurrimiento uniforme en canales, remansos y resaltos y su relación con la sedimentación y la corrosión de cloacas. Ing. LUIS PÉREZ FARRAS (AGOSTO DE 2005) 14.2 MEDIOS ELECTRÓNICOS 1. 2. 3. 4.

www.escuelas.fi.uba.ar/iis/Orificios%20y%20vertederos.pdf www.fic.umich.mx/~hidraulica/man_pdf/3o/3_p5.pdf www.quirumed.com/es/Catalogo/articulo/24037 http://prueba2.aguapedia.org/tar/formatec/tagua/t02_transporte_del_agua.p pt.


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