INFORME D E LABORATORIO LABORATORIO #4 “GOLPE DE ARIETE ” (ME3301 Mecánica de Fluidos)
Integrantes: Integrantes: Reynaldo Cabezas C abezas Daniel López Bruno Ortega Fernando Fernando Rodas Profesor: Profesor: Williams Willia ms Calderón Calderón Fecha: 03 de Octubre de 2012
Índice 1. Introducción .................................................................................................................. 1 2. Objetivos ....................................................................................................................... 2 3. Antecedentes y Metodología ....................................................................................... 3 4. Cálculos y Presentación de Resultados......................................................................... 6 5. Análisis de Resultados................................................................................................... 7 6. Conclusiones ................................................................................................................. 8
1. Introducción El golpe de ariete se le denomina a la modificación de la presión en un sistema de conducción debido a una variación en el estado dinámico del fluido conducido. Este fenómeno se presenta al detener una bomba que suministra potencia a un sistema de conducción y análogamente también al cerrar alguna válvula del sistema de manera brusca. Esta alteración en el estado dinámico del fluido se ocasione de cambiar repentinamente al líquido de la velocidad de conducción a velocidad 0. Al ocurrir esto, la barrera que establece la válvula contra el peso del agua genera que las líneas de flujo conducido choquen contra este obstáculo generando ondas de impacto que disiparán la energía en el sentido inverso al de la conducción, y esto ocasionará un incremento en la tubería que podría llegar a reventarla. Para evitar esto existen válvulas y maquinas especiales para amortiguar este golpe y evitar posibles roturas o explosión en cañerías. Un ejemplo de esto se da en las hidroeléctricas, detalladamente en donde se encuentra las turbinas ya que el agua cae con un potencial muy grande y repentinamente se frena. Así, para este laboratorio se utilizara una bomba de ariete (maquina HM150) que permite efectuar demostraciones de un ariete hidráulico. Con este tipo de bomba se puede transportar agua desde un nivel más alto sin necesidad de alimentación mecánica adicional. La energía cinética del agua que fluye se convierte en presión potencial mediante el frenado súbito. Esto permite mostrar la generación y el efecto de los golpes de ariete. Si hay suficiente suministro de agua, la instalación también se puede conectar a las tuberías de agua, y así medir empíricamente los resultados de la bomba en cuanto a eficiencia en la elevación de la masa de agua, y sus pérdidas energéticas asociadas.
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2. Objetivos En este laboratorio se evaluara las características de la bomba de ariete, a distintos caudales y diferencias de altura entre los depósitos, para luego evaluar las relaciones de caudal másico y grado de efectividad de la máquina obtenidos para cada caso.
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3. Antecedentes y Metodología Para los cálculos en la maquina se midió: alturas del agua en el recipiente de entrada y de s alida, y caudales de salida y de pérdida. La diferencia de altura s e calcula como:
(3.1)
Con : altura del primer depósito : altura del segundo depósito La cantidad total de agua que sale del primer depósito elevado se calcula sumando el caudal de salida y la cantidad de agua perdida:
(3.2)
caudal másico de entrada caudal másico de salida. caudal másico de perdida. De todo lo anterior se puede obtener una relación de caudal másico real y otra teórica:
=
(3.3)
(3.4)
µ: relación caudal másico real. : relación caudal másico teórico.
El grado de efectividad se define como la relación entre uso y consumo. El uso describe la energía de la cantidad de agua transportada y el consumo es la energía del agua utilizada. Luego tenemos las siguientes ecuaciones para definir el grado:
(3.5)
(3.6)
(3.7)
: Potencia de entrada : Potencia de salida Grado de efectividad
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Montaje y procedimiento:
Figura 3.1: Maquina HM150
(1) Soporte de entrada de agua (2) Válvula de entrada (3) Primer depósito elevado (4) Rebosadero (5) Tubería de largo L (6) Válvula reguladora (7) Bloque de válvulas (8) Válvula de impulsos con contrapeso (9) Válvula de bisagra de goma (10) Cámara de aire (11) Tubo ascendente (12) Segundo depósito elevado (13) Rebosadero (14) Soporte de salida (15) Salida de pérdidas
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Luego de esto el nivel del agua se puede leer en las escalas de los depósitos elevados. El punto cero de las escalas se encuentra a la altura del bloque de válvulas. En este laboratorio se medirán 2 alturas distintas para el deposito de salida. Para cada altura del deposito de salida se medirán los caudales de salida y de perdidas, con un recipiente graduado de 2 litros y cronometrando el llenado de éste. En cada caso de altura distinta se utilizaran 2 caudales de entrada desconocidos, lo que se analizará a continuación.
Figura 3.2 Nivel de agua izquierda
Figura 3.3 Nivel de agua derecha
Figura 3.4 Válvula
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4. Cálculos y Presentación de Resultados Utilizando las fórmulas antes mencionadas, se llegó a los siguientes resultados:
0,9 0,9 0,9 0,9
1 1,05 1 1,05
0,1 0,15 0,1 0,15
Caudal salida 0,1569 0,1497 0,1961 0,2116
Caudal Pérdida 0,0336 0,0371 0,0185 0,0166
Caudal Total 0,1904 0,1868 0,2146 0,2283
0,8237 0,8012 0,9139 0,9272
0,9 0,8571 42 0,9 0,8571
(%)
91,5195 93,4722 101,54 07 108,17 35
1,6797 1,6478 1,8924 2,0132
0,0329 0,0546 0,0181 0,0244
1,9591 3,3135 0,9570 1,2133
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5. Análisis de Resultados Se observa que, según los datos y valores obtenidos para μ, el caudal de agua que fue transportada es aproximadamente el mismo que lo teóricamente calculado, pues las relaciones medido v/s teórico oscilan entre 90 y 100%. En cuanto a la efectividad de la bomba, esta resultó ser del orden de un 2%, lo cual es sumamente bajo, puede deberse a una suma de factores como imprecisiones de la máquina o las pérdidas energéticas, aún asi sigue siendo aceptable para un sistema que utiliza solo la energía cinética del agua entrante al circuito, permitiendo subir agua una cierta altura sin tantas pérdidas de caudal. Es posible apreciar que para una misma diferencia de niveles de agua, a mayor caudal los valores de μ se acercan más a los teóricos, mientras que por el contrario, al aumentar el caudal (a misma diferencia de alturas) la efectividad disminuye. Esto podría deberse que a mayor caudal el sistema de válvulas se vuelve inestable en el proceso cíclico de abrir y cerrarse, además puede que esto provoque que hayan más pérdidas energéticas por roce o por ser un fluido turbulento, provocando que así la efectividad disminuya. Por otro lado cabe mencionar que fueron realizadas mediciones con 4 caudales diferentes y no de gran diferencia entre estos, por lo que cabe la posibilidad de que sea un comportamiento particular y no general.
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6. Conclusiones En esta experiencia se logra el objetivo de conocer las características de la bomba de ariete, midiendo distintos caudales y diferencias de altura. Se logra ver que el caudal másico experimental y teórico en la maquina son similares. La eficiencia de la bomba resulta ser bajo, pero por el sistema de donde utiliza esa energía resulta ser un porcentaje igualmente importante. Sumado a lo anterior la efectividad de la bomba de ariete pudo verse afectada por por perdidas energéticas por roce, por ser un fluido turbulento y porque la maquina no está en óptimas condiciones.
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