UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA MECÁNICA DE FLUIDOS
LABORATORIO “Flujo en Orificios”
: 4
GRUPO DE LABORATORIO
CATEDRÁTICO: ING. MIGUEL TOMAS AMAYA INSTRUCTOR: JULIO CÉSAR MORENO FÓRTIZ
INTEGRANTES: ARGUETA FERNANDEZ, NOÉ VLADIMIR
AF15011
BENAVIDES TEJADA, LUIS ENRIQUE HERNANDEZ FLORES, ANDREA REGINA LANDEROS ARENIVAR JORGE MARIO
BT14002 HF13001 LA15002
Ciudad Universitaria, 16, Noviembre, 2018
INTRODUCCIÓN. Para medir en el flujo de un fluido se emplean una gran diversidad de depósitos, entre ellos tubos de Pitot, medidores de corriente, medidores Venturi, toberas, boquillas, orificios, vertederos, etc. Para poder analizar correctamente todos estos dispositivos, es necesario saber utilizar la ecuación de Bernoulli y conocer las características y coeficientes de cada aparato, en laprácticaque realizamos en el laboratorio nos centraremos en el flujo de fluidos a través de orificios, para ello emplearemos algunas herramientas tales como un banco de pruebas hidráulicas, una bomba centrifuga ZCP-1001 y un dispositivo para el estudio de flujo a través de un orificio.Loscoeficientes de velocidad (Cv), contracción (Cc) y de descarga (Cd), se calcularon a partir de los datos medidos el área de sección transversal del orificio (Ao), la altura estática (Ho), la lectura del tubo de Pitos (Hc), y el diámetro de la vena contracta (Dc). El coeficiente de velocidad (Cv) es la relación entre la velocidad real y la velocidad ideal o teórica que se tendría si no se tomaran en cuenta las perdidas existentes en el sistema. El coeficiente de contracción (Cc) es la relación entre el área de la sección recta contraída de una corriente (chorro) y el área del orificio a través del cual fluye el fluido. El coeficiente de descarga (Cd) es la relación entre el caudal real que pasa a través del aparato y el caudal ideal. El coeficiente de descarga no es constante. Para un dispositivo dado, varía con el número de Reynolds. Un orificio es la abertura realizada en un depósito que alberga un fluido esta abertura se hace por debajo delnivel superior del líquido, puede ser en la pared lateral o en el fondo. El fluido se acelera hacia el centro del mismo, haciendo que el chorro que resulta experimente una reducción de áreadebido a la curvatura de las líneas de corriente. La reducción de área debido a esta curvatura, conocida como vena contracta, se considera que se completa a una distancia igual a la mitad del diámetro del orificio. Los vertederos son estructuras hidráulicas sobre las cuales se efectúan descargas de fluido a superficies libres, los vertederos según los propósitos que tenganpueden adoptar diferentes formas. Si la descarga se hace sobre una placa con perfil de cualquier forma, pero con arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre unasuperficie, el vertedero se denomina de pared gruesa.
OBJETIVOS.
Observar el comportamiento del flujo en orificios y vertederos Determinar los coeficientes de velocidad (Cv), contracción (Cc) y de descarga (Cd), de un orificio de bordes afilados. Establecer la relación entre caudal real y los parámetros de coeficiente de velocidad (Cv), contracción (Cc) y de descarga (Cd). Determinar el coeficiente de descarga a partir de los datos obtenidos en los vertederos. Conocer las diferentes aplicaciones de los orificios y vertederos en la industria
EQUIPO UTILIZADO.
Dispositivo para el estudio de flujo a través de orificios.
Este instrumento es alimentado a través de la tubería, la cual termina en un filtro para eliminar los efectos de turbulencia dentro del tanque. La tubería de reboso permite desalojar el agua sobrante hacia el drenaje. El agua desciende y sale a través del orificio, el cual esta acoplado a la base del tanque, de tal manera que no existan rebordes a lo largo de la superficie interna, descargándose así. En la base del tanque, se cuenta además con una derivación, la cual se conecta con un tubo plástico montado sobre una escala con el objeto de leer directamente la altura del nivel de agua sobre el plano del orificio. Un segundo tubo plástico se conecta a un tubo de Pitot, el cual puede ser introducido dentro del chorro de descarga, asegurándose que se encuentre en el centro del chorro midiendo así, su presión de estancamiento. El tubo de Pitot puede atravesar la sección transversal del chorro, girando la perilla graduada, la cual tiene un paso de rosca de 1 mm, es decir, que cada vuelta completa mueve el tubo de Pitot una distancia de 1 mm. De esta manera se puede medir directamente el diámetro de la vena contracta, al atravesarlo de un lado al otro, utilizando el borde afilado de la cuchilla instalada en el Pitot.
Canal de pendiente variable para vertederos El canal de pendiente variable es un equipo que permite la visualización y práctica de los diferentes vertederos, ya sean de pared delgada o gruesa, con la intensión de observar las variaciones de caudal que experimente el fluido. Las componentes del equipo son:
1. Tanque recolector 2. Tanque volumétrico: es utilizado para medir el caudal del fluído 3. Tanque de entrada 4. Canal 5. Bomba 6. Tuberías de desagüe 7. Limnímetro: utilizado para medir la profundidad del fluido en el canal. 8. Ubicación de los vertederos y sus respectivas tuercas mariposas. Vertedero rectangular sin contracción Es aquel cuyo ancho es igual al del canal de aproximación. Vertedero rectangular con contracción Es aquel en el cual el piso y los muros del canal están lo suficientemente alejados del borde del vertedero y por lo tanto no influyen en el comportamiento del flujo sobre él.
Vertedero triangular Este se utiliza para medir pequeños gastos, es más preciso que el rectangular pues la presión varia con la altura, dándose una gran gradiente de velocidad entre la parte inferior del triángulo y la superior.
PROCEDIMIENTO. Para dar inicio al experimento primero, la medición de los coeficientes de velocidad (Cv), descarga (Cd) y contracción (Cc) para un valor constante único de Ho, y luego se debe medir la descarga a un numero de valores diferentes de Ho. En la primera parte del experimento, el flujo de agua suministrado al tanque, deberá ser tal que el nivel de salida del tubo de rebose se mantenga constante, asegurando así una altura estática (Ho) constante. Para medir el coeficiente de descarga (Cd), es necesario medir la descarga real (Qr), procedente del orificio de bordes afilados, así como la altura estática (Ho). Para medir el coeficiente de velocidad (Cv), se deberá utilizar el tubo de Pitot para conocer la altura de presión de estancamiento (Hc) y además anotar la altura estática (Ho). Para determinar el coeficiente de contracción (Cc), del orificio, se necesita medir el diámetro del chorro, exactamente a la altura de la vena contracta, estos se logra utilizando la hoja de bordes afilados instalada en el extremo de flujo de Pitot. En la segunda parte del experimento, el flujo de agua se reduce para lograr descender el nivel del tanque a varias posiciones, siendo medida de la descarga del orificio en cada caso. Deberá tenerse el cuidado de permitir que el nivel se establezca a un valor fijo antes de que el flujo de entrada sea cambiado, además se deberá observar el nivel del agua, mientras se está midiendo el agua descargada y anotar el valor promedio en el tiempo cronometrado.
TABLA DE DATOS Diámetro del orificio Área de la sección transversal del orificio Altura estática Tiempo requerido para recoger 7.5 kg de agua Caudal real Lectura del tubo de Pitot Diámetro de la vena contracta
CALCULOS REALIZADOS: Area del Orificio
= π4 ∗Do = π4 ∗ 13.010− =0.000133
Coeficiente de Descarga
= √ 2 = 0.000133√ 20.09.0017 81 ∗37510− =0.471 Coeficiente de Velocidad 71 = = 0.0.84462
Do = 13.0 mm
0.000133
Ho = 375 mm t = 40.80 s
0.000184/ Hc = 370 mm Dc = 11 mm
Caudal Real
5 = 7.∗ = 1000/7.5∗40.80 =0.000184/ Coeficiente de Contracción
= = () − 1110 = 1310− =0.8462 =0.5566
PROCEDIMIENTO 1. 2. 3. 4.
Llenar el tanque recolector hasta la marca indicada. Abrir la válvula de escape del tanque volumétrico. Instalar el vertedero Encender la bomba y poner el sistema en funcionamiento hasta que se estabilice el flujo, aproximadamente 5 minutos. 5. Tomar el tiempo en que se toma llegar desde la marca inicial hasta la segunda marca del visor del tanque volumétrico. Las medidas del volumen entre dichas marcas ya se encuentran dadas: para 30 lt y 35 lt. Efectuar la medición del tiempo para ambas medidas. 6. Aliviar la válvula del tanque volumétrico. 7. Mediante la utilización del limnímetro se tomará la medida de la profundidad del flujo de agua (P+H) y con las medidas dadas de altura del vertedero calcular H. La tabla No.2 se llena a partir de las mediciones hechas en el laboratorio, y por otro lado mediante las siguientes ecuaciones:
Vertedero Rectangular sin contracciones:
2 = 3 √ 2 2 = ó= 3 √ 2 = Vertedero Rectangular con contracciones: Se utilizan las mismas ecuaciones que en los vertederos rectangulares sin contracción. Vertedero Triangular:
= 158 √ 2 tan(ɸ2) 8 ɸ = ó= 15 √ 2 tan(2 ) =
Tabla No. 2: Mediciones de Vertederos N°
VERTEDERO
t (seg) 30 lt
t (seg) 35 lt
Qr x 10-3
)
H (m)
( 1 2 3 4 5
Rectangular con contracción Rectangular sin contracción Triangular
6
28.81 28.02 28.15 27.68 28.12 28.40
32.45 32.90 31.93 31.36 31.03 31.34
1.05994 1.06725 1.08093 1.09994 1.09739 1.08656
Qt x 10-3
Cd
)
( 0.06 0.037 0.066
2.16998 0.49 2.16998 0.49 2.77418 0.39 2.77418 0.40 2.64368 0.42 2.64368 0.41
ASIGNACIONES
Se asume que el tanque es lo suficientemente grande como para que la velocidad del nivel de agua sea despreciable, ¿esto es justificable? Si el área plana del tanque es 4.12E-2 m2 , ¿Cuál es la velocidad del nivel cuando la descarga es de 1.97E-4 m3 /s? ¿A qué Ho corresponde esta condición?
=/
4.7810− /
Usando: , tenemos que la velocidad del nivel es: Podemos observar que se obtiene un valor de velocidad muy pequeño en comparación al obtenido en el orificio, por ser un diferencia lo suficientemente grande se puede despreciar la velocidad de la superficie del tanque. Para calcular (en nuestro caso con ) la despejamos de la
ecuación 504.07 mm
=
=0.471, = 0.000133 11:
=
Suponiendo que no es posible medir el diámetro de la vena contracta, pero que el diámetro es medido a alguna distancia debajo de ella, ¿serán afectados los resultados? Si es así, estimar la variación del diámetro del chorro en la vena contracta y en un plano que se encuentre 25mm debajo de ella.
/ entonces podemos usar = √ 2 y =/ con encontrar el área, así: = 370 = 2.694 / Ahora = 0.0000683 bien entonces: =9. 325 con = 370 25 = 345 =2.602 / = 0.0000707 por lo tanto: = 9.488 Si tenemos el caudal (0.000184 para
∆ = 0.16
La diferencia de diámetros es: Conclusión, los cálculos si son afectados pero de manera mínima.
Investigue cuatro aplicaciones industriales de los orificios. Explique e ilustre
Aplicaciones industriales de los orificios:
1. Placa de Orificio
En industrias donde conocer el flujo o caudal de un fluido es crítico para mantener la calidad de un producto, es indispensable el uso de medidores y controladores de caudal. De lo más simple y eficaz: La placa de orificio. La placa de orificio es un dispositivo que permite medir el caudal de un fluido que pasa por una tubería. Consta de un disco con un orificio en el centro de este que se coloca perpendicular a la tubería.
Aplicaciones de una placa de orificio: Al ser un elemento de medición de caudal, la placa de orificio tiene miles de aplicaciones y la mayoría son industriales.
Industrias químicas Tratamiento y distribución del agua y gas Aceiteras Industrias de bebidas Calderas En procesos productivos donde es necesario conocer el caudal de un fluido
2. Bridas de orificio Las bridas de orificio se utilizan para medir caudales en líquidos o gases. El principio se basa en la caída de presión que produce el flujo al pasar por agujero calibrado.
3. En la medición de canales El orificio en particular es un medidor muy barato de flujo. Para medida y control de flujo se utiliza siempre un orificio de aristas vivas porque es insensible a la viscosidad, y por tanto su funcionamiento no se altera con la temperatura del fluido. El aparato antiguo y muy sencillo con el nombre de cuba Dabaide, posee uno o varios orificios en el fondo y mide canales de 5 a 500 L/s.
4. Boquilla o tobera de flujo Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección cilíndrica recta y corta. Debido a la contracción pareja y gradual, existe una pérdida muy pequeña. A grandes valores de Reynolds (106) C es superior a 0.99. La tobera de flujo, es un instrumento de medición que permite medir diferencial de presiones cuando la relación de ß, es demasiado alta para la placa orificio, esto es, cuando la velocidad del flujo es mucho mayor y las pérdidas empiezan a hacerse notorias. Luego, al instalar un medidor de este tipo se logran mediciones mucho más exactas. Además este tipo de medidor es útil para fluidos con muchas partículas en suspensión o sedimentos, su forma hidrodinámica evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos a la tobera.
CONCLUSIONES El coeficiente de descarga es un factor adimensional, que también nos permite calcular el caudal (Qr) con el que desembalsa el orificio en función del nivel del fluido (Ho). A mayor valor del coeficiente, a una misma diferencia de altura, más caudal y por lo tanto más rápido podrá salir el agua a través del orificio. Para medir el coeficiente de velocidad (Cv), se deberá utilizar el tubo de Pitot para conocer la altura de presión de estancamiento (Hc) y además anotar la altura estática (Ho). Según la geometría del vertedero, éste puede tener distintos valores de altura a la salida; los valores de flujo cambian si se le entrega una mayor cantidad de fluido al canal del vertedero, asimismo modificando los tiempos de descarga. El coeficiente de contracción es la relación entre el área contraída y la del orificio. Su valor numérico para un fluido determinado varía con el diámetro del orificio y la carga. El coeficiente de contracción disminuye con un diámetro mayor y con un incremento enla carga. Para obtenerlo necesitamos medir el diámetro del chorro a la altura de la vena contracta. Los vertederos tienen aplicaciones importantes en el transporte de fluidos en la industria y agricultura
porque
permiten
tener
un
control
en
un
canal
abierto
a
la
atmosfera de líquido ya sea esta agua u otra sustancia que pueda estar en contacto con la atmosfera
y
moverse
en
grandes
el control de su flujo y su observación
cantidades
volumétricas
facilitando
