ORIFICIOS Y BOQUILLAS INTRODUCCIÓN Determinación experimental de los coeficientes de descarga Cd, de velocidad Cv y de resi resist sten enci cia a de fluj flujo o al salir alir el agua agua por por una una boqu oquilla illa tron tronco co – cóni cónica ca convergente, bajo las condiciones de no permitir el ingreso de aire a la altura de la contracción del chorro líquido a la entrada de la boquilla.
OBJETIVOS
Conocer la clasificación y usos de los orificios y boquillas.
Determinar el caudal que pasa a travs de un orificio y de una boquilla.
Determi Determinar nar las ecuaci ecuaciones ones y curvas curvas de patrona patronamien miento to de orificio orificios s y de boquillas.
FUNDAMENTO TEÓRICO !l orificio se utili"a para medir el caudal que sale de un recipiente o que pasa a travs de una tubería. !l orificio en el caso de un recipiente, puede hacerse en la pared o en el fondo. !s una abertura generalmente redonda, a travs del cual fluye líquido líquido y puede ser de arista arista aguda o redondeada. redondeada. !l !l chorro del fluido se contrae contrae a una distanc distancia ia corta en orificios orificios de arista arista aguda. aguda. #as boquill boquillas as est$n constit constituida uidas s por pie"as tubular tubulares es adaptadas adaptadas a los orificios orificios y se emplean emplean para dirigir el chorro líquido. !n las boquillas el espesor de la pared debe estar entre % y & veces veces el di$metro d del orificio.
CLASIFICACIÓN DE LAS BOQUILLAS
Cilíndricas 'ambin denominadas boquillas patrón y de comportamiento similar al de un orificio de pared gruesa. (quellas, a su ve", est$n divididas en interiores y exteriores. !n las boquillas interiores )o de *orda+ la contracción de la vena ocurre en el interior, no necesariamente el chorro se adhiere a las paredes y presenta un coeficiente de descarga que oscila alrededor de .- )("evedo, /. y (costa, (., 012+. 3ara el caso de boquillas cilíndricas externas con la vena adherida a las paredes se tiene un coeficiente de descarga de .4% )("evedo, /. y (costa, (., 012+.
Cónicas Con estas boquillas se aumenta el caudal, ya que experimentalmente se verifica que en las boquillas convergentes la descarga es m$xima para &&, lo que da como resultado un coeficiente de descarga de .05 )notablemente mayor al de las boquillas cilíndricas+. #as boquillas divergentes con la peque6a sección inicial convergente se denominan 7nturi, puesto que fueron estudiadas por este investigador quien demostró experimentalmente que un $ngulo de divergencia de - grados y e 8 0d permite los m$s altos coeficientes de descarga.
INSTRUMENTOS A UTILIAR
'anque de 9rificios y boquillas
7ertedero 'riangular
% #imnímetro
7ernier
Disposición de (gua
:istema de *ombeo
:istema cuadriculado de ejes coordenados ubicado en la salida del orificio del tanque.
DESCRI!CIÓN DEL SISTEMA DE LABORATORIO A USAR EN EL ENSAYO
#a instalación consiste en un depósito de forma rectangular; en el cu$l ingresa el agua por un tubo mediante una bomba. !l tubo acaba dentro del depósito con ranuras laterales, cuyo fin es tranquili"ar el ingreso del agua al depósito. !n la pared anterior del depósito existe un orificio redondo donde se pueden encajar diferentes accesorios consistentes en diversos tipos de boquillas y orificios, los cuales son sujetos por medio de una brida ajustada con pernos del tipo mariposa. Dentro del depósito existe una compuerta de umbral inferior a las paredes que viene sostenido y controlado por dos cables regulables desde un eje. :obre el umbral de la compuerta batiente vierte el exceso de agua bombeado que no sale por el orificio o boquilla. #a compuerta batiente permite a la ve" regular el nivel del agua en el depósito para diversas posiciones, a la ve" de obtener un estado permanente. !l exceso de agua pasa a un compartimento al costado desde donde se deriva a un desag
!l nivel del agua en el depósito se mide en un recipiente provisto de un limnímetro de punta doble. !ste recipiente est$ conectado con el depósito por medio de una manguera que hace un vaso comunicante. !l limnímetro de punta doble est$ calibrado para medir el nivel en el depósito respecto al eje del orificio o boquilla. 3ara medir la descarga hay un canal que recoge las aguas vertidas a travs de la boquilla u orificio, el cual acaba en un vertedero de pared delgada de sección triangular.
3ara medir la descarga basta con medir la carga sobre el vertedero en un limnímetro de punta invertida colocado al costado del canal de acercamiento, y referirse a una tabla adjunta calibrada de carga sobre el vertedero vs. Caudal. 9tro instrumento ser$ un vernier para medir las dimensiones de la boquilla.
!ROCEDIMIENTO DEL ENSAYO
. (ccionamos el sistema, rebajamos la compuerta hasta un determinado nivel para obtener un caudal constante a una altura =. Debemos dejar un tiempo para que el caudal se estabilice y poder reali"ar las mediciones con mayor precisión. %. Determinamos la altura = para la cual la carga es constante. 3ara dicho c$lculo utili"amos el limnimetro de dos puntas. &. #a determinación del caudal > la reali"amos con ayuda de un vertedero triangular el cual ya tiene valores para cada altura determinada. 5. (l mismo tiempo se debe tomar las siguientes medidas ?
@edir el di$metro interno del chorro utili"ando el vernier.
Determinamos la posición de & o m$s puntos para cada caudal ayud$ndonos de una placa cuadriculada que toma como origen la boquilla. Con esto podremos graficar yAo luego calcular la ecuación de trayectoria descrita por el chorro de agua.
-. Bepetimos todos los pasos por lo menos para 2 diferentes cargas =.
"# DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO E T A ! A
$ al%&r a d' (a)& ina
* al%&r a +'r%' d'r,
Q+
25.01 2%.1 -.10 5.5 &.0 %5.50
" . / 0 1
D ,ri2ici,
5. .5 & 1. &. 01. 0%. &.
.54 .5 % .%1 . .00 .42 cm
ETAPA 1:
5 "939 "039 -939 /939 0939
D" Y
-3.40 Vr 6c(7s#
.% .- %.- 4. .2
%1.%51 %4.5& &&.%0 &%-.&&
c( V8r,(
%01.5&&
C+ .12 .14.411 .0
C+ 8r,(
.4&&
ETAPA 2
D5 ""39 "139 -"39 /"39 0"39
Y . .- %.2 4. %.%
-30"0 Vr 6c(7s# %40.&& %44.5&4 &0.-% &%&.&11
c( V8r,(
&-.50
C+
C+ 8r,(
.4%.4%% .00 .0%%
.420
ETAPA 3
5 ""39 "139 ":39 /"39 0"39
D. Y
-30/9 Vr 6c(7s#
c( V8r,(
. %.% &. . -.
%&%.%4% %&4.01 %&.2 %41.52 %0.21
%--.4&&
D/ Y
-3.;9 Vr 6c(7s#
c( V8r,(
. %. &. .- 1.5
%55.-%0 %25.-5 %21.12%1.110
C+
C+ 8r,(
.1&2 .1-1 .1%0 .0 .0%
.4
C+
C+ 8r,(
ETAPA 4
5 ""39 "139 -"39 /"39 0"39 ETAPA 5
%2.41
.4-1 .0%2 .0&0 .0-
.04
D0 Y
5 ""39 "139 -"39 /"39 0"39
-30"0 Vr 6c(7s#
c( V8r,(
C+
C+ 8r,(
%&.1-
.0%2 .04
.0&4
.4 %.5 5.&
%%4.1&2 %%5.%41
5.- %&.
%&4.52% %&-.-0
D1 Y
-30"9 Vr 6c(7s#
.0 &. -.% 4. %4.-
%5.-41 %&.0-2 %5.%2 %.-12
.022 .0-5
ETAPA 6
5 ""39 "139 -"39 /"39 0"39
c( V8r,(
%4.-&1
C+ .0&& .0& .012 .02-
C+ 8r,(
.0-
CUESTIONARIO a. !xplique a que se debe la formación de la contracción de un chorro. !n el caso de las boquillas, antes de pasar los filetes de agua por la boquilla estas tienen una dirección tangencial. 3ero cuando pasa por la boquilla su dirección es pr$cticamente normal a la dirección anterior; por ello tienen una curvatura fuerte pero no infinita y un radio de curvatura finito, pues las fuer"as que actan sobre las molculas de estos filetes no pueden producir una discontinuidad en su dirección y velocidad. !sto produce una contracción en el chorro a la entrada de la boquilla.
b. Dedu"ca la ecuación general para orificios de grandes dimensiones y poca carga.
#a carga = por encima del orificio se mide desde el centro de la boquilla hasta la superficie libre. (hora que la carga ya no permanece constante por ser las dimensiones del estanque considerablemente mayores que las de la boquilla, la aplicación de la ecuación de *ernoulli entre el punto en la superficie libre y el punto & a la salida de la boquilla. /o considerando las prdidas se obtiene?
3ara orificios de grandes dimensiones y poca carga se puede asumir que las presiones manomtricas son ceros. )38 3& 8 + 3or lo tanto la ecuación anterior se reduce a? 2
2
V 1 V 3 + H = 2g 2g
c. Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de contracción incompleta.
:e llega a una contracción incompleta cuando se hace coincidir uno o m$s lados del orificio con las paredes laterales, con lo cual desaparece la contracción en ese o esos lados, pero en los dem$s lados la contracción es completa. !l esquema representa el fondo de una compuerta, la contracción ha desaparecido en el fondo, pero subsiste en la arista superior del orificio.
d. Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de descarga sumergida. 9rificios con desag
9rificios de descarga sumergida? :on aquellos que desaguan bajo el nivel est$tico de un segundo depósito.
9rificios parcialmente sumergidos? son aquellos en los que el nivel est$tico de aguas abajo, cubre parte del orificio.
e. Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de pared gruesa. Denominamos orificio, en hidr$ulica, a una abertura de forma regular, que se practica en la pared o el fondo del recipiente, a travs del cual eroga el líquido contenido en dicho recipiente, mantenindose el contorno del orificio totalmente sumergido. ( la corriente líquida que sale del recipiente se la llama vena líquida o chorro. :i el contacto de la vena líquida con la pared tiene lugar en una línea estaremos en presencia de un orificio en pared delgada. :i el contacto es en una superficie se tratar$ de un orificio en pared gruesa )m$s adelante se precisar$ con m$s detalle el concepto+.
#a pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y "30d <'< -d :e presenta adherencia del chorro líquido a la pared del orificio. na ve" pasada la sección contraída tiene espacio dentro del tubo para expandirse y llenar la sección en su totalidad. !n la sección contraída y la final ocurre un descenso de velocidad, turbulencia y prdida de energía.
#a velocidad del liquido se puede calcular con
√ ( 2 gh )
78 Cv
3ero Cv 8 .4% un tercio m$s grande el valor que en una pared delgada dado que la carga = se incrementa por el vacío formado y por que la presión atmosfrica en el es menor. 3or lo tanto la perdida de energía es
Δh r= f.
" . / 0 1
(
1 0.82
2
−1
)
2
2
V V =0.49 2g 2g
Calcular los coeficientes de descarga C d , y de resistencia de flujo E utili"ando las fórmulas )2+ y )0+ presentadas.
Vr
V%
A =,)
A c*,rr,
Qr 6l%7s#
Q% 6l%7s#
Cc
C+
Cd
>
%01.5&& &-.50 %--.4&& %2.41 %&.1- %4.-&1
&-1.& &-.414 &-.215 %4-.1%52.010 %0.%%
1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20
5.-5.024 -.21 5.5% 5.41 5.054
.&5 .-.%02 .-.%0 .&%
%.-%5 %.54 %.%& %.2 .152 .-50
.2&1 .1& .11 .2%5 .240 .1
.4&& .420 .4 .04 .0&4 .0-
.-& .2 .-4 .-1& .252 .222
.55 .&%& .-%& .42 .&2 .-
g. Calcular los coeficientes de descarga Cd, y de resistencia de flujo E utili"ando las fórmulas )2+ y )0+ presentadas.
Gráfco H vs K & H vs Cd 0.7 0.6 0.5 K
0.4
Coefcientes
Linear (K)
0.3
Cd
0.2
Linear (Cd)
0.1 0.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0
H/D
h. Fraficar los datos de caudal >r versus la carga =.
Gráfco H vs Qr 1.6 1.4 1.2 1.0
Qr
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0
H
i.
Frafique la trayectoria del chorro y verifique en el mismo gr$fico con la trayectoria teórica.
ETA!A"
ETA!A-
ETA!A.
ETA!A /
ETA!A 0
ETA!A 1
j. Comente y haga conclusiones en base a los gr$ficos presentados, manifestando entre otras cosas las ra"ones de la concordancia o discrepancia con los valores predichos por la teoría. #os datos obtenidos sufren de una serie de errores debido al error de cada sistema que se utili"ó para hallar cada uno de los datos, estas inexactitudes generan una diferencia entre los resultados teóricos y los resultados obtenidos. (l anali"ar las curvas se hace notar que las gr$ficas de Cd en todos los puntos tiene la misma desviación est$ndar lo cual genera un error general en la toma de todos los puntos, con lo que se concluye que es un error de calibración al no ser aleatorio. no de los puntos se hace notar que no guarda la misma relación con los dem$s y este es el que menor carga tenia por lo cual se concluye que para caudales menores de .20 lAs dicho dispositivo arrojara valores fuera del rango, por lo que se tendría que utili"ar un dispositivo de mayor calibración. (l anali"ar las curvas de trayectoria del fluido el punto de referencia se toma a una distancia de .- cm del orificio, con lo cual la 7r se ve distorsionada ya que en ese punto no es hori"ontal, esto se hace notorio en las gr$ficas de ajustes la cual se reali"ó por mínimos cuadrados en la que los primeros puntos de cada medición siempre est$n debajo de la curva ajustada. (dem$s cuanto mayor es el caudal tambin se nota mayor distorsión en la trayectoria.
G. 3resentar una relación de coeficientes de descarga, de velocidad, de contracción, de prdidas de carga teóricas, para diversos tipos de orificios, boquillas y tubos cortos.
l. @encionar la aplicación pr$ctica de tales coeficientes, por ejemplo para el dise6o de qu tipo de obras se utili"an.
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!n la industria automotri" en la alimentación de diferentes equipos como los carburadores. !n la industria de limpie"a, en la cantidad de gases contaminantes que genera o desfoga una maquinaria, o en los lavadores din$micos de roció para la eliminación de material suspendido. !n la ingeniería mec$nica para la elaboración de dispositivos de corte por chorro. !n la ingeniería civil para el dise6o de canales y vertederos, así como c$lculo del caudal real. H así en un sinfín de ramas en las cuales se necesite reali"ar la medición del flujo que pasa por una sección.
BIBLIO?RAFIA@ • • •
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Domíngue" I. =idr$ulica? !ditorial niversitaria niversal de Chile -ta ed. 015 Eing =. @anual de =idr$ulica '!=( @xico 00& :otelo (. F. =idr$ulica Feneral. 7ol ? Iundamentos. !ditorial #imusa :.(. De C.7. @xico 040 :treeter 7. @ec$nica de los Iluidos; @cFraJ =ill *ooG Company. !spa6a – 024.
