FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
“MECÁNICA DE FLUIDOS”
PRÁCTICA DE LABORATORIO:
DESCARGA POR ORIFICIO Y TRAYECTORIA DE CHORRO LIBRE Integrantes: Marvil Rimarachín Díaz Segundo Willam Llanos Calderón Docente: Ing. FERNÁNDEZ VARGAS Manuel Alejandro Cajamarca – Perú 2016
FLUJO A TRAVÉS DE UN ORIFICIO
I. CONCEPTOS Para la medición de caudales en campo se utilizan: Orificios, toberas (boquillas), venturímetros, canales Venturi, canales Parshall, medidores de codo, vertederos de aforo, etc. Para la aplicación de estos dispositivos, es menester la aplicación de la ecuación de Bernoulli y conocer las características y coeficientes de corrección de cada uno de estos instrumentos; si no se tuviera información sobre estos coeficientes, el instrumento debe calibrarse para las condiciones de operación en las que ha de emplearse.
II. OBJETIVOS. 2.1. Objetivo General.
Determinar el coeficiente de descarga de un orificio
Determinar el coeficiente de velocidad de un orifico
III. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO a. Cuba de almacenamiento. b. Bomba. c. Llave reguladora de caudal. d. Disipador. e. Cortina de rebose. f.
Regla para medida de la carga vertical (H).
g. Dispositivo de control de altura de rebose. h. Orificio. i.
Dispositivo de medición XY.
j.
Vertedero.
Imagen 1: Equipo de descarga por orificios
El equipo de descarga por orificios (Imagen 2) consiste de un tanque de carga que tiene un agujero en la pared lateral, en el que se puede acoplar orificios de diferente forma (circular, cuadrado, rectangular) tamaño y perfil. El tubo de entrada flexible (imagen 3) está conectado a una bomba, que suministra agua desde la cuba de almacenamiento, la misma que es entregada al tanque de carga mediante el tubo de entrada que desemboca en el difusor que reduce las agitaciones en el tanque. La llave ubicada en la parte inferior del difusor, permite regular el caudal que ingresa al tanque de presión.
IMAGEN 2. EQUIPO DE DESCARGA POR ORIFICIOS
IMAGEN 3. EL TUBO DE ENTRADA FLEXIBLE
Una pared de rebose (imagen 4 y 5) mantiene el agua en un nivel fijo en el tanque y el agua excedente es regresada a la cuba de almacenamiento. Mediante un tornillo de compuerta, se puede graduar la altura de la pared de rebose, para poder experimentar con diferentes alturas de descarga, el caudal por el orificio.
IMAGEN 4. PARED DE REBOSE
IMAGEN 5. PARED DE REBOSE
Antes de retornar el agua hasta la cuba de almacenamiento, existe vertedero triangular (15°) para la medición del caudal real que escurre por el oficio.
El dispositivo de medición XY, permite determinar las coordenadas de la trayectoria del chorro.
Cada orificio se encuentra elaborado sobre una placa. Para posicionar el orifico en la pared de carga se cuenta con un sistema de cuatro (04) tornillos.
Las dimensiones de cada orificio tendrán que ser determinadas mediante el uso de un vernier o dispositivo similar. El caudal de agua descargando por el orificio en prueba, puede ser determinado usando el vertedero colocado en tanque ubicado en sobre la cuba de almacenamiento.
El experimento descrito debe ser desarrollado usando orificios de borde afilado y debe ser repetido usando los orificios alternativos para comparar los coeficientes de descarga.
IV. EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO a. Equipo de flujo a través de un orificio. b. Vernier V. COMPONENTES DEL EXPERIMENTO a. Determinación del coeficiente de descarga por medición del caudal del orificio en pared vertical y a carga constante. b. Determinación del coeficiente de velocidad por medición de la carga dinámica en el orificio y la trayectoria del chorro, a carga constante y pared vertical.
VI. COMPONENTE: DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DESCARGA POR MEDICIÓN DEL CAUDAL DEL ORIFICIO A CARGA CONSTANTE De la aplicación de la ecuación de Bernoulli (conservación de la energía mecánica para un flujo estable, incompresible y sin fricción): La velocidad del flujo ideal del orificio en la vena contractada del chorro (Diámetro más estrecho). Si se aplica la ecuación de Bernoulli entre los puntos A y C, se tiene que:
ℎ + + = ℎ + + 2 2 De donde podemos obtener que:
= 2ℎ Esta es la velocidad teórica en el punto C, con esta velocidad podemos obtener el caudal teórico QT que se escurre por el orificio.
= 2ℎ Existen equipos que permiten medir los parámetros con los que se puede calcular el área en la sección contraída (Ac), de no ser éste el caso se puede decir que:
= 1
Donde el componente C1, se denomina coeficiente de contracción del área. Lógicamente el área real AR es susceptible de ser determinada mediante la medición directa de las longitudes pertinentes (orificio circular diámetro; oficio cuadrado lado, orificio rectangular base, altura), mediante herramientas como el vernier. De (3) en (4) obtenemos que:
= 1 2ℎ El caudal real es diferente al caudal teórico y podría expresarse como
= De (5) en (6) se tiene que:
= 1 2ℎ Para este caso en particular se denomina coeficiente de la descarga a:
= 1 De (7) y (8) tendremos:
= 2 Finalmente el coeficiente de descarga del orificio puede calcularse como:
−1 = 2 En la ecuación (10)
QR: Es el caudal real y se medirá en el vertedero. AR: Área real y se calculará midiendo con un vernier los parámetros necesarios. H: es la altura de carga de agua sobre el centro del orificio y se determina con la regla vertical instalada en el tanque de presión o carga. De modo que cuando se quiera aforar el caudal real con este tipo de orificio, se tendrá, que si se evalúa la expresión:
= 2 - El caudal real será calculado como:
= √
VII. DESARROLLO EXPERIMENTAL Lo descrito a continuación está referido al desarrollo del experimento con el orificio circular pequeño. a. Medir con el vernier, el diámetro del orificio circular pequeño. Esta medición debe llevarse a cabo por lo menos tres veces. b. Instalar mediante los tornillos la placa con el orificio circular pequeño. Asegúrese de que su funcionamiento sea como un orificio de pared delgada. c. Llenar la cuba de almacenamiento, conectando la manguera desde una fuente de agua hasta la válvula ubicada en el extremo inferior izquierdo de la cuba. d. Encender la bomba de agua. e. De requerirse, graduar el caudal con el que se va a llevar a cabo el experimento mediante la válvula situada en el tanque intermedio (debajo del disipador). f. Graduar la cortina de rebose, mediante el tornillo de la compuerta, para fijar la altura de carga (H) con la que se va a llevar a cabo la primera repetición del experimento. g. Esperar a que se estabilice el flujo a través del reservorio. Para esto observe que se equilibre: la superficie libre del tanque de carga, el tirante sobre el vertedero así como la trayectoria del chorro. h. Determine el valor de H, mediante la regla para medida de la carga vertical (H), instalada para este fin en la pared frontal del depósito de carga. i. Mida la altura sobre el vertedero situado en el tanque intermedio. Mediante la tabla del vertedero triangular de pared delgada, determine el caudal real (QR) que circula por el sistema.
VIII.
DATOS, CÁLCULOS, TABLAS PARA LOS CÁLCULOS a. Para cada medición del diámetro, llenar la tabla adjunta:
IX. TOMA DE DATOS Y PROCESAMIENTO: a. Para cada medición del diámetro, llenar la tabla adjunta:
TABLA N° 1. MEDICIÓN DE LAS MAGNITUDES LARGO Y ANCHO DEL ORIFICIO RECTANGULAR Y DEL LADO DEL ORIFICIO CUADRADO Y CÁLCULO DEL ÁREA. ORIFICIO Nº de medición 1 2 3
Magnitud Largo Magnitud Ancho (cm) (cm) 4.05 cm 4.06 cm 4.05 cm PROMEDIO 2.15 cm 2.15 cm 2.15 cm PROMEDIO
1 2 3
Valor del ÁREA (m2) 0.000810 0.000812 0.000810 0.000811 0.000462 0.000462 0.000462 0.000462
2.00 cm 2.00 cm 2.00 cm 2.15 cm 2.15 cm 2.15 cm
b. Para el cálculo del caudal real (QR) en el vertedero, medir la altura de agua sobre el vertedero y de la tabla correspondiente, obtener el caudal, en el siguiente formato:
TABLA N° 2. MEDICIÓN DE LA ALTURA DEL VERTEDERO Y CÁLCULO DEL CAUDAL REAL SEGÚN TABLA DE VERTEDERO TRIANGULAR ORIFICIO RECTANGULAR Ensayo N° 1 2 3 4
y (cm) 10.7 cm 12.0 cm 12.4 cm 12.9 cm
Q (l/s) 0.771 1.028 1.115 1.231
l/s l/s l/s l/s
ORIFICIO CUADRADO
Q (m3/s)
y (cm)
0.00077 m³/s 0.00103 m³/s 0.00112 m³/s 0.00123 m³/s
9.3 cm 10.4 cm 10.2 cm 11.1 cm
Q (l/s) 0.543 0.719 0.684 0.846
l/s l/s l/s l/s
Q (m3/s) 0.00054 m³/s 0.00072 m³/s 0.00068 m³/s 0.00085 m³/s
c. Mediante el tornillo de compuerta, modifique la altura H de carga sobre el orificio y resuma sus cálculos mediante el siguiente formato: ORIFICIO RECTANGULAR h (cm) h (m) Vc (m/s) 18.31 cm 0.1831 m 1.895 m/s 33.64 cm 0.3364 m 2.569 m/s 38.35 cm 0.3835 m 2.743 m/s 44.76 cm 0.4476 m 2.964 m/s
ORIFICIO CUADRADO h (cm) h (m) Vc (m/s) 34.80 cm 0.3480 m 2.613 m/s 60.00 cm 0.6000 m 3.431 m/s 56.80 cm 0.5680 m 3.338 m/s 83.13 cm 0.8313 m 4.038 m/s
TABLA N° 3. CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE DESCARGA DEL ORIFICIO ORIFICIO RECTANGULAR Vc CAUDAL Cd 1.895 0.00077 m³/s 0.501 2.569 0.00103 m³/s 0.495 2.743 0.00112 m³/s 0.504 2.964 0.00123 m³/s 0.512 PROMEDIO 0.503
X.
ORIFICIO CUADRADO Vc CAUDAL Cd 2.613 0.00054 m³/s 0.447 3.431 0.00072 m³/s 0.454 3.338 0.00068 m³/s 0.441 4.038 0.00085 m³/s 0.455 PROMEDIO 0.449
CONCLUSIONES.
El coeficiente de descarga del orificio rectangular es de: 0.503
El coeficiente de descarga del orificio cuadrado es: 0.449
XI. RECOMENDACIONES.
Se debe tener sumo cuidado al momento de tomar las mediciones de profundidad (h) y de la carga (y).
Se debe esperar hasta que el líquido sea estable.
Tener cuidado con las unidades de en las que se miden.
Trabajar en forma ordenada y rápida porque solo se cuenta con 1 solo equipo y el alumnado es demasiado.
XII. PANEL FOTOGRÁFICO.
Fotografía N° 01 Orificio rectangular de descarga y fotografía 02. Medición del lado del orificio cuadrado ( L )
Fotografía N° 02 equipos de descarga por orificio rectangular y trayectoria de chorro libre
