FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
SIFON CÁTEDRA
:
FLUJO DE FLUIDOS
CATEDRÁTICO
:
Ing. VICTOR GUEVARA YANQUI
ALUMNOS
:
HILARIO MEZA, Slee. LOARTE VARGAS, Dav!. REYES MU"OS, Al#!e$. ROMANI MONTES, Mg%el SANA&RIA CONTRERAS, VICTOR.
SEMESTRE FECHA
: :
VI '()'*)*+ HUANCAYO – PERÚ 2012
II. INTRODUCCION En la actualidad el uso del sifón para el campo de la ingeniería ha ido incrementando considerablemente debido al bajo costo que este puede presentar en la operación de trasvasar un fluido de un nivel superior a otro inferior. Este proceso está inmerso de la utilización de energia eléctrica por lo que habría un gran ahorro en las industrias que realizan con frecuencia la operación mencionada. Un ejemplo particular puede ser la utilización del sifón para llevar la caña destilada de caña de azcar desde un nivel superior a un nivel inferior. El sifón es un tubo con forma de U invertida en el que flu!e un líquido subiendo en su primera mitad" impulsado por una fuerza " ! bajando en la otra" ! funciona siempre que el punto de entrada esté por encima del de salida# es decir" tiene que haber un cierto desnivel entre los puntos inicial ! final que permita compensar el rozamiento$ este es el principio de los vasos comunicantes. %a palabra" en ltimo término" es de origen griego. El sifón se usa para pasar líquidos de un envase a otro" de modo que la palabra se usa también para indicar tubos especializados en succión. El agua así asciende hasta el nivel inicial.
%os sifones pueden ser empleados tanto para riego" alcantarillado" o para agua potable. &ara este caso emplearemos la ecuación de la conservación de la energía o de 'ernoulli" para lo cual hemos cuantificado" para el diámetro de nuestra manguera" todas las pérdidas de carga hidráulica desde el inicio hasta el final" entrada al conducto" cambios de dirección" fricción" cambios de sección" salida del conducto" ! finalmente por transición de salida" luego ha! que restarlas a la diferencia de alturas del agua entre la entrada ! la salida del sifón" para revisar si se cumple la ecuación de 'ernoulli" hasta encontrar el diámetro que satisfaga las condiciones de caudal que definan el problema.
III. RESUMEN
V. MARCO TEORICO 5.1 SIFÓN
Un sifón es un sistema hidráulico compuesto por un recipiente del fondo del cual sale un tubo por arriba" pero que luego cae en forma de U invertida" hasta un nivel inferior al piso del recipiente. (e acuerdo con la fórmula de la columna hidráulica" si el sistema está totalmente lleno de líquido" el peso de la parte e)terna del tubo *más larga+ será ma!or que el de la parte interna *más corta+$ lo cual generará una presión superior igual a la diferencia de niveles entre el líquido en el interior el recipiente ! la salida e)terior del tubo. Esa diferencia de presiones es la que hace que se venza el peso de la columna interior" determinando que el líquido suba ! sea arrastrado a salir del recipiente. &ara que un sifón funcione" es indispensable por tanto que el tubo sea llenado totalmente de líquido" ! llevado su e)tremo a un nivel inferior al del recipiente de salida. En tal caso" se dice que el sifón se encuentra cebado. ,simismo" es indispensable que por la entrada del tubo no penetre aire" por cuanto en tal caso se vaciaría el líquido del sistema de vasos comunicantes que constitu!e el sifón.
5.1.1 SIFÓN EN EL VACÍO ¿FUNCIONARÍA EL SIFÓN EN EL VACÍO? , la pregunta de -Es posible el trasiego de líquido en el vacío mediante un sifón/0 se suele responder terminantemente# - 12o" es imposible30. &or regla general" la circulación del líquido en el sifón se atribu!e nicamente a la presión del aire. &ero esta suposición es un prejuicio -físico0. -En un sifón rodeado de vacío el líquido flu!e libremente. En principio" el sifón con líquido funciona perfectamente aunque no e)ista presión del aire0 4dice el &rof. 5.6. &ol en su libro Introducción a la mecánica y la acústica. 7ómo se e)plicaría" pues" el funcionamiento del sifón sin atribuirlo a la acción de la atmósfera/ &ara e)plicarlo" ofrecemos el siguiente razonamiento# la parte derecha del -hilo0 de líquido contenido en el sifón es más larga !" por ende" es más pesada" por lo cual arrastra el resto de líquido hacia el e)tremo largo$ una cuerda sostenida mediante una polea ilustra mu! bien este hecho.
Explicación evidente de cómo funciona el sifón ,hora vamos a e)aminar el papel que la presión del aire desempeña en el fenómeno descrito. Esta sólo asegura que el -hilo0 de líquido sea continuo ! no salga del sifón. &ero en determinadas condiciones dicho -hilo0 puede mantenerse continuo nicamente merced a la adhesión entre sus moléculas" sin que intervengan fuerzas e)ternas.
Trasiego del mercurio mediante un sifón sumergido en aceite. La continuidad del "hilo" de mercurio en el tubo se asegura con la presión del aceite esta última hace las veces de la presión atmosf!rica e impide la formación de burbuas de aire en el agua
-&or lo general" el sifón deja de funcionar en el vacío" sobre todo cuando en su punto más alto ha! burbujas de aire. &ero si en las paredes del tubo no ha! restos de aire" al igual que en el agua contenida en el recipiente" ! se maneja con cuidado el artefacto" es posible ponerlo a funcionar en el vacío. En este caso la adhesión entre las moléculas de agua garantiza la continuidad de la columna de líquido0 *E. 8rimsel" 7urso de física+.
El &rof. 5. &ol en su libro" citado más arriba" le apo!a de una manera mu! categórica diciendo lo siguiente# -(urante la enseñanza de la física elemental se suele mu! a menudo atribuir el funcionamiento del sifón a la presión del aire. 2o obstante" esta afirmación sólo es válida con muchas restricciones. (e hecho" el principio de funcionamiento del sifón no tiene nada que ver con la presión del aire.0 , continuación" este autor pone el ejemplo de una cuerda sostenida mediante una polea" mencionado más arriba" ! prosigue# -%o mismo también es válido para los líquidos" que se resisten a la -rotura0" igual que los sólidos. &or ello" el fluido no debe contener burbujas0 ... , continuación este autor describe una e)periencia consistente en el trasiego de líquidos mediante un sifón" además" el papel de presión atmosférica lo desempeñan dos émbolos con carga" o la presión de otro líquido de densidad más baja# ésta no deja que el -hilo0 de líquido se rompa aunque contenga glóbulos de aire.
Es cierto que no ha! nada nuevo debajo de la luna. Es que la e)plicación correcta del funcionamiento del sifón" que se ajusta mu! bien a lo que acabamos de e)poner" data de hace más de dos milenios ! se remonta a 9erón" mecánico ! matemático de ,lejandría" siglo : a.7. Este sabio ni siquiera sospechaba que el aire tiene peso" por lo cual no incurrió 4a diferencia de los físicos de nuestra época4 en el error que acabamos de analizar.
#epresentación del sifón tomada del tratado de $erón de %leandr&a 9e aquí lo que dice# -;i el orificio libre del sifón se encuentra a la misma altura que el nivel de líquido del recipiente" no saldrá agua del sifón" aunque esté repleto... En este caso el agua estará en equilibrio. &ero si el orificio libre se encuentra por debajo del nivel de líquido" éste saldrá del sifón" puesto que la cantidad de agua del tramo <' pesa más que la del tramo '"= ! la arrastra hacia abajo.0
5.1.2 EL SIFÓN PARA LOS GASES.
¿SERÍA POSIBLE TRASVASAR GASES UTILIZANDO UN SIFÓN? Es posible trasegar gases mediante un sifón. &ara ello es necesario que intervenga la presión atmosférica" puesto que las moléculas de los fluidos no están adheridas unas a otras. %os gases más pesados que el aire" por ejemplo" el gas carbónico" se trasvasan mediante el sifón de la misma manera que los líquidos si el recipiente del que sale gas está colocado por encima del otro. ,demás" también es posible trasegar aire mediante el sifón siempre que se aseguren las condiciones siguientes.
El brazo corto del sifón se introduce en una probeta ancha" llena de agua" e invertida sobre un recipiente con agua" de modo que su boca se encuentra por debajo del nivel del líquido de este ltimo. El otro e)tremo ( del sifón se tapa mu! bien con un dedo para que en el tubo no entre agua al introducirlo en la probeta. 7uando se destapa el orificio (" a través del sifón empiezan a entrar glóbulos de aire en la probeta" lo cual significa que este aparato comienza a funcionar. &ara e)plicar" por qué el sifón introduce aire e)terior en la probeta" fijémonos en que a nivel del punto 7 el líquido e)perimenta la presión de > at" dirigida desde abajo" mientras que desde arriba presiona una atmósfera menos el peso de la columna de agua comprendida entre los niveles 7 ! ,'. &recisamente este e)ceso de presión empuja el aire e)terior hacia dentro de la probeta.
ALGUNAS APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE BERNOULLI %a ecuación de 'ernoulli es uno de los pilares fundamentales de la hidrodinámica$ son innumerables los problemas prácticos que se resuelven con ella# ;e determina la altura a que debe instalarse una bomba • Es necesaria para el calculo de la altura til o efectiva en una bomba • ;e estudia el problema de la cavitación con ella • ;e estudia el tubo de aspiración de una turbina • :nterviene en el calculo de tuberías de casi cualquier tipo •
SALIDA POR UN ORIFICIO: ECUACIÓN DE TORRICELLI El deposito de la figura contiene un liquido" ! tiene en la parte inferior un orificio *?+ provisto de una tubería *@+ que termina en una válvula *6+# •
la superficie libre del deposito se mantiene a una altura *9+ constante con relación al plano de referencia *A B C+ gracias a que en el deposito entra un caudal *D+ igual al que sale por la tubería
•
el área de la superficie libre es suficientemente grande para que pueda considerarse la velocidad del fluido *6> B C+
•
en el punto >" la energía geodesica *A > B 9+
•
se despreciaran las perdidas >
Ecuación de Torricelli: 6 B 6 B
g9
,pliquemos entre los puntos > ! la ecuación de 'ernoulli# &>F&g G A> G 6>F B &F&g G A G 6F g ? sea ? G 9 G ? B ? G ? G 6 F g
Porq! !" 1 # 2 r!$"% &% 'r!($)" %*+o(,-r$% o /%ro+-*r$% q! !( $0%& % O 'r!($)" r!&%*$%3 Esta velocidad# •
• •
es igual a la que adquiriría una partícula de fluido al caer desde una altura 9. Es independiente del peso especifico del fluido. Es la velocidad teórica de salida en condiciones ideales
TUBO DE PITOT El tubo de &itot fue ideado para medir la presión total" también llamada presion de estancamiento *suma de la presión estática ! la dinámica+
&>
&t
&C B
&g
&g
6C
B G &g g
&t # presión total o de estancamiento &C" 6C # presión ! velocidad de la corriente imperturbada &resión total o de estancamiento# &t B &g *l+ (onde# &t B &C G & 6C
INSTRUMENTACIÓN DE MEDIDA DE VELOCIDADES Entre los instrumentos para medir la velocidad de un fluido" figura el tubo de &randtl" cu!o fundamento es la ecuación de 'ernoulli. Es una combinación del tubo de &itot ! un tubo piezometrico$ el de &itot mide la presión total" el piezometrico mide la presión estática" ! el tubo de &randtl mide la diferencia entre las dos" que es la presion dinámica.
EL EFECTO SIFÓN
El dibujo representa un sifón que descarga agua por encima de una presa. %a altura total en la sección > es# 9 B &>Fpg G A> G 6>Fg
P!ro4
P1'0 6 7
%uego
? G A> G ? B 9
V1 6 7
%a constante de 'ernoulli vale" por tanto# 9 B A> ,l despreciar perdidas" la altura total en el punto valdrá#
9 B &Fpg G A G 6Fg &ero &Fpg B C %uego ? G A G 6 Fg B 9 6Fg B 9 H A 6B
g *9 H A +
;i el sifón es de sección transversal constante 6 B 6 será la velocidad del agua en todo el sifón.
En el punto , que es el mas alto del sifón" la 9 valdrá#
&, G A, G 6 B &g
9
g
I# &, B 9 H A , H 6 &g g
' siendo ( ) * ( &, B 9 H A , H 9 G A B 4*A, H A+ J C pg
E% EIE7@?5 El e!ector acelera o desacelera una corriente de fluido produciendo una depresión o compresión. ;e llama in!ector si se usa para producir una depresión ! e!ector para vacío &>Fpg G 6>Fg B &Fpg G 6 Fg
&Fpg B &tFpg H 6 H 6> g aplicando la ecuación de continuidad# 6 B KD
6> B KD
(
d donde D B caudal de aire" ! por tanto# π
6>Fg B LD gπdK llevando estos valores a la ecuación tendremos# & B &> H LD pg pg g π
π
6Fg B LD gπ(K
(K H dK (K dK
INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIÓN DE VOL8MENES INSTRUMENTOS VOLUM9TRICOS4 Miden el volumen en un intervalo de tiempo. %os principales se clasifican en# tanques volumétricos • tanques gravimetricos • contadores de volumen gastado • los dos primeros son los nicos medidores primarios. Entre los contadores de volumen gastado se distinguen dos tipos# contadores de despla+amiento positivo, se constru!en de muchos • tipos$ el rotor ! la cámara de medición son de un fenol resinico mu! resistente contadores de turbina# el rotor es igual al de una turbina hidráulica • accionada por el mismo caudal
INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIÓN DE CAUDALES %os instrumentos para medir caudales se llaman caudalimetros ! son un instrumento que mide el flujo instantáneo. ;e pueden medir en flujo cerrado o tuberías o en flujo abierto o canales.
CAUDALIMETROS DE FLU:O CERRADO4 ;e renen en dos grupos# de área de paso constante, es el mas importante" consta de un • elemento deprimogeno ! un manómetro diferencial. El caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión. %os elementos deprimogenos mas importantes son# 4 tubo de (enturi, su función es crear diferencia de presiones" consta de tres partes# una convergente" una divergente ! otra de sección mínima 4 toberas de medida, son conductos divergentes en la dirección del flujo que producen un aumento de velocidad ! una disminución de la presión. 4 -iafragmas, es una placa de metal que lleva un orificio circular concéntrico con el eje de la tubería.
4
tros elementos deprimogenos, codos" cámaras espirales" válvulas
•
de área de paso variable, los mas importantes son los rotametros" que consta de un tubo cónico vertical abierto por arriba ! abajo un flotador" el cual tiene ranuras inclinadas en su periferia
•
electromagn!ticos
•
de ultrasonido
IV.CÁLCULOS Y RESULTADOS CONSIDERACIONES: •
Fl%- e$a/le.
•
Fl%- n#-012e$/le.
•
Fl%- a l- la2g- !e %na l3nea #-22ene.
•
El !e14$- e$ g2an!e #-01a2an!- #-n el %/-.
DATOS EXPERIMENTALES:
5a2a %n !60e2- !e *.789 #0 De l-$ !a-$ -/en!-$ en el la/-2a-2V(L)
t (s)
Q (L/s)
(!)
',( ',9 ',(9 ',8 ',<9
*,'+ *,; *,(7 *,++ *,;8
',(9 ',8*; ',<7 ',<+7 ',*7'
',77 +,*8 +,< +,99 <,8(
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Hallan!- la al%2a 06>0a en2e l-$ 1%n-$ A ? +: La 12e$4n en e$e 1%n- $e26 0en-2 - g%al a la 12e$4n !e va1-2 a *9C 5A=*, B5a. Ha#en!- el /alan#e !e ene2g3a: 0 % ρ
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E.OO+ = K.CPQNm
Gr;,$%+!"*! &% %&*r% <% !( $0%& % =.>@ + RECOMENDACIONES •
,unque" como se ha dicho" debemos prever un cierto desnivel para compensar la fricción de las tuberías ! el agua.
•
El acondicionamiento del equipo al momento de formar el ;ifón debe compensar o disminuir la presión estática dentro de la tubería *que depende de la altura de la columna de agua dentro de ella+.
•
(ebemos tener en cuenta" en las corridas" una serie de medidas de precaución para que la nueva entrada de agua se hiciera gradualmente ! mas no de una forma brusca. &ara esto debemos tener en cuenta algunos principios.
•
Un criterio que hemos tenido en cuenta para evitar la entrada de aire al interior de los sifones" por remolinos" es que en la entrada" el conducto debe estar sumergido apro)imadamente de un >CR a un >OR de la carga hidráulica por velocidad en ese punto" en nuestro caso lo conectamos al caño para evitar la succión del aire.
•
;i no queda más alternativa" a la salida puedes controlar el flujo mediante un escalón que provoque que el tubo funcione lleno" ! después diseñas una caída. ?tra forma de lidiar con el problema es dividir el gasto en dos o más líneas de conducción para diferentes casos de gastos" ! alturas de agua" por ejemplo para gasto normal ! para gasto con aportes pluviales.
•
(ebes revisar también que el conducto trabaje siempre sumergido" !a que de otra forma puedes tener condiciones en las que la tubería trabaje con un gasto menor al
de diseño ! se presente un salto hidráulico en el interior del mismo" lo que es indeseable por el entrampa miento de aire en el interior ! por tener condiciones de inestabilidad en el tubo. •
En cuanto a los usos que se dan# es como accesorio mu! til e indispensable. ;irve para sacar la suciedad *e)cremento ! alimento desperdiciado+ del fondo del acuario. ;u costo es barato ! su uso es mu! sencillo. ;e sumerge por completo de tal forma que no quede aire en su interior. (espués tapamos con el dedo pulgar el e)tremo de la manguera ! la sacamos del agua" dejando en el interior del acuario el tubo" una vez que quitamos el pulgar el agua se empezará a vaciar.