UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica EXPERIENCIA Nº TÍTULO ASIGNATURA
1
1.1
:2 : DESCARGA POR ORIFICIOS : MECÁNICA DE FLUIDOS
OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA
OBJETIVO GENERAL
Estudiar la descarga libre de fluidos a través de medidores o reguladores de caudal (diferentes tipos de orificios).
1.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar experimentalmente los coeficientes de contracción, velocidad y el coeficiente de caudal para cuatro diferentes tipos de orificios. Describir la trayectoria del fluido que provoca cada uno de los orificios, para luego confrontarlos y concluir acerca del alcance máximo de cada chorro. Determinar en forma teórica y práctica el tiempo de vaciado del estanque de la instalación. Determinar de forma experimental el caudal evacuado por cada orificio.
2
INTRODUCCION TEÓRICA Un orificio es una abertura limitada por una curva cerrada de forma regular que da paso a una corriente de agua. A un orificio con la superficie lateral prolongada, por ejemplo, con longitud dos o tres veces el diámetro, o cuando se a practicado una abertura de pared gruesa se llama tubo. A la corriente de agua que sale por un orificio se llama vena líquida o vena fluida, y a la altura del manto de agua que produce la descarga, se llama carga. A un orificio cuyo borde es agudo se llama arista viva. El caudal de llegada es el que conduce hasta un orificio y a la velocidad media del líquido en este canal se le llama velocidad e llegada o acceso y a la velocidad media
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del líquido en la vena, se le llama velocidad en la vena. Si la vena descarga al aire, el orificio tiene descarga libre. Se califica a un orificio de vertical u horizontal según esté situado en un plano vertical o en uno horizontal (figura 1). Los orificios pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares o de cualquier otra forma regular.
Figura 1
3.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El procedimiento experimental para cada uno de los orificios es el mismo, y se describe a continuación. Al comenzar a trabajar en las instalaciones para descarga a través de orificios, el nivel de agua estará por debajo del flanje donde se adosarán los orificios. Una vez que se coloque el primer orificio, en su parte inferior se colocará una membrana de goma, en ese momento se deberá hacer andar la bomba. Una vez que el nivel de líquido haya alcanzado una altura de 25 centímetros en el capilar de vidrio, se deberá retirar la membrana de goma dando paso así al fluido por el orificio. Para mantener el nivel de “h” de 25 centímetros, la válvula de estrangulación se deberá cerrar por completo para luego abrirla aproximadamente ¾ de vueltas desde su cerrado completo.
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Luego de tener el nivel ya controlado y las vibraciones del agua casi nulas (para esto se deberá esperar no menos de 10 minutos), se procederá a tomar las siguientes mediciones: 1. Se deberá dibujar en la pizarra de la instalación la curva que describe el orificio, para luego anotar sus coordenadas más representativas como lo son (X, 0) y (0, Y). Esta curva se podrá comparar con la de los otros orificios. 2. Con el pie de metro, provisto para dicho laboratorio, se procederá a medir el diámetro del chorro o vena líquida que sale por el orificio para así poder calcular el coeficiente de contracción. 3. Para calcular el caudal real evacuado por cada uno de los orificios, se deberá cronometrar el tiempo que se demora en llenar el recipiente adjunto a la instalación. Se deberá calcular el volumen de llenado, para dividirlo por el tiempo cronometrado, obteniendo así el caudal real evacuado por el orificio.
4.
ECUACIONES
4.1
ECUACION PARA OBTENER EL COEFICIENTE DE CENTRO Para el cálculo del Coeficiente de Contracción (Cc) se tiene la siguiente ecuación:
Donde: Cc = Coeficiente de Contracción. Medida adimensional. A contracta = Área medida directamente del chorro (metros2). A real = Área real de cada orificio. Todos los orificios tienen 15 mm de diámetro (metros2).
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4.2
ECUACION PARA OBTENER EL COEFICIENTE DE VELOCIDAD Para el cálculo del Coeficiente de Velocidad (Cv) se tienen dos modos: 1. Método A: Se deberá trazar en la pizarra la trayectoria descrita por la vena líquida y luego anotar los diferentes puntos coordenados. 2. Método B: Por medición directa del caudal se puede determinar la velocidad real la que luego se dividirá por la velocidad teórica.
La expresión general para calcular el Coeficiente de Velocidad es:
ó
De donde se desprende la siguiente ecuación para calcular el Coeficiente de Velocidad según el método A:
∆
Donde: Cv = Coeficiente de Velocidad. Medida adimensional. Xo = Valor de la coordenada X para el valor de Yo. Medida en metros. Yo = Valor de la coordenada Y para el valor de Xo. Medida en metros. ∆h = Diferencia de altura entre el centro del orificio y la altura de líquido. Medida en metros.
Según el método B las ecuaciones a emplear son:
ó
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Donde: h = Altura medida entre el centro del orificio al borde del fluido. Medida en metros. Q = Caudal medido directamente de la vena. / . A = Área del orificio. Diámetro de los orificios es igual a 15 mm. Medida en .
4.3
ECUACION PARA OBTENER EL COEFICIENTE DE CAUDAL Para calcular el Coeficiente de Caudal (Cq), se tiene la siguiente ecuación:
! El cálculo del tiempo de desagüe es el tiempo que demora cada orificio en desaguar un volumen determinado de líquido, se puede calcular en forma manual, contabilizando el tiempo que para esto requiere, o bien utilizar la siguiente ecuación:
Donde: Ar = Área del recipiente. Ao = Área del orificio. h1 = Altura inicio descarga. h2 = Altura término descarga. t = Tiempo de desagüe.
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5.
CARACTERISTICAS DE LA INSTALACIÓN La instalación de laboratorio de orificios está provista de 2 recipientes, montados en una estructura móvil, en los que el fluido recirculará. En el recipiente de más arriba, se deberán ir cambiando los orificios.
A continuación se muestra una tabla con los caudales que experimenta cada orificio a distintas alturas.
Tipo orificio Altura (cm)
Arista Viva
Tubo
Sin Contracción
Tobera
25
18.55
21.00
21.90
23.15
24
18.23
20.88
21.65
22.60
23
17.95
20.45
21.30
22.10
22
17.45
19.98
20.63
21.58
21
17.00
19.90
20.30
20.90
20
16.69
19.09
19.62
20.55
19
16.30
18.65
19.11
20.03
18
16.00
18.50
18.70
19.71
17
15.53
17.75
18.09
19.00
16
15.14
17.31
17.58
18.49
15
14.70
16.50
16.90
17.90
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6.
CONTENIDO DEL INFORME El informe debe contener los siguientes cálculos:
- Determinar del coeficiente de contracción. - Determinar el coeficiente de velocidad. - Determinar el coeficiente de caudal.} - Determinar el tiempo de vaciado. Además, debe contener la siguiente estructura: 1. Introducción 1.1. Objetivos 1.2. Esquemas de las instalaciones 1.3. Método experimental 2. Datos, resultados y gráficos 3. Discusión y conclusiones.
7.
EVALUACION El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente ponderación:
1. 1.5 puntos 2. 2.5 puntos 3. 2.0 puntos 4. 1.0 punto base
TOTAL: 7 PUNTOS
8.
BIBLIOGRAFÍA •
Holman, J.P., “Experimental Methods for Engineers”; Mc Graw-Hill.
•
Mataix, C., “Mecánica de fluidos y Máquinas Hidráulicas”, HARLA.
•
Streeter, V., “Mecánica de los fluidos”, Mc Graw-Hill.
