INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA “UNIDAD CULHUACAN” DESCARGA A TRAVES DE UN ORIFICIO ALUMNOS: GRANADOS SANCHEZ EDUARDO JAVIER ROMERO MARTINEZ RAFAEL ZECUA MEDINA JUAN ENRIQUE PROFESOR: SANTILLAN LECHUGA EZEQUIEL A. GRUPO: 6MM4 INDICE Objetivo Pág. 3 Diagrama unifilar del equipo Pág. 3 Guía y descripción de la Instalación Pág. 4 Marco Teórico Pág. 5 Método de operación Pág. 7 Datos Pág. 7 Cuadro de datos Pág. 9 Cálculos Pág. 9 Cuadro de resultados Pág. 9 Conclusiones Pág. 10 Bibliografía Pág. 10 Anexos Pág. 11 PRACTICA NO. 4. DESCARGA A TRAVES DE UN ORIFICIO OBJETIVO DE LA PRÁCTICA Determinar experimentalmente el gasto y los coeficientes de descarga, contracción y velocidad para un orificio con carga constante. DIAGRAMA UNIFILAR DEL EQUIPO GUÍA Y DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN ➢ Contrapeso: Es una pesa que permite equilibrar el impulso de la palanca provocado por la salida del agua que se impacta sobre la mesa. ➢ Casco esférico: Es un semicírculo que recibe el impulso del agua a la salida de la tubería, la cual transmite un impulso sobre el contrapeso. ➢ Medidor de longitud del orificio: dos barriles por medio de los cuales se puede ajustar una cuchilla desde el principio del chorro hasta el final de este. ➢ Tubería de agua: Es un tubo dentro del tubo de descarga por medio del cual es posible hacer que el agua choque sobre las placas. ➢ Tubo de salida: Este tubo permite la salida del agua almacenada en el tubo de descarga y ayuda a medir el gasto. ➢ Válvula de control: Permite regular la presión de salida del agua. ➢ Contrapeso del banco hidráulico: Pesas suspendidas sobre un mismo eje para equilibrar el peso del agua, lo permite determinar el gasto másico. ➢ Banco hidráulico: Almacena el agua que sale del tubo de descarga. ➢ Bomba: Impulsa el agua hasta que sale del tubo de descarga con una presión que puede variar por medio de la válvula de control. El equipo empleado en la realización de la práctica, el mayor volumen lo ocupaba el banco hidráulico que contaba con una bomba; que a la salida de la misma esta acoplado un manómetro para medir la presión del líquido que es bombeado. La bomba envía el líquido en una manguera la cual al final tiene una boquilla que dirige el agua a la placa o casco que se le va a realizar la prueba, después de chocar el agua cae en un recipiente de pruebas, y el agua caerá otra vez al banco. En la parte superior de donde está colocada la pieza de prueba se encuentra una palanca la cual subirá conforme a la fuerza del chorro, que posee una pesa la cual nos sirve para realizar la prueba. MARCO TEORICO Desde el punto de vista hidráulico, los orificios son perforaciones, absolutamente de forma regular y perímetro cerrado, colocador por debajo de la superficie libre del líquido en depósitos o almacenamientos, tanques o canales. Su clasificación puede realizarse de acuerdo con las condiciones de trabajo, es decir, descargando libremente, ahogados parcialmente o sumergidos o a presión en el interior de una tubería. De la misma manera la clasificación puede realizarse de acuerdo con su forma circular, cuadrada, rectangular, triangular, etc. Según el espesor de la pared, pueden ser de pared delgada o de pared gruesa (ver figura 1). A la corriente líquida que sale del recipiente se la llama vena líquida o chorro. Si el contacto de la vena líquida con la pared tiene lugar en una línea estaremos en presencia de un orificio en pared delgada. Si el contacto es en una superficie se tratará de un orificio en pared gruesa. En la figura N°2 se muestran las características que presenta el paso de un gasto a través de un orificio de pared delgada. La ecuación general de los orificios de pared delgada es: √ Donde H es la profundidad a la cual se encuentra el punto medio del orificio cuando la presión atmosférica y la velocidad de llegada del fluido al orificio son despreciables. Cuando esto último no ocurre, estos valores deben considerarse mediante la ecuación de la energía: COEFICIENTES DE GASTO, VELOCIDAD Y CONTRACCIÓN El coeficiente Cd (coeficiente de gasto o de descarga) está conformado por el coeficiente de velocidad (Cv) y por el coeficiente de contracción (Cc): Estos tres valores dependen directamente del número de Reynolds y consideran las pérdidas producidas en su trayectoria y la contracción del chorro de agua. La magnitud de cada uno de los coeficientes anteriores puede determinarse mediante la gráfica siguiente: ORIFICIOS DE GRANDES DIMENSIONES O CARGAS PEQUEÑAS Cuando los orificios presentan cargas hidráulicas pequeñas (a/H o D/H entre 2 y 1) es necesario emplear la ecuación siguiente: Para la expresión anterior Q’ es el gasto real vertido tomando en cuenta una carga hidráulica muy pequeña y Q es el gasto generado considerando únicamente la ecuación 1. CONTRACCIÓN INCOMPLETA Es necesario considerar que en ocasiones los orificios no presentan una contracción completa, este fenómeno se presenta cuando: a) Las paredes o el fondo del canal se encuentran a distancias inferiores a 3D o 3a. b) El extremo del recipiente coincide con una arista del orificio. En ambos casos es necesario determinar un nuevo coeficiente de gasto. En la ecuación anterior, el valor del coeficiente CdO se obtiene con la gráfica 1 y las áreas AO y AT se refieren al área del orificio y al área total de la pared que contiene al orificio respectivamente. COEFICIENTE DE VELOCIDAD El coeficiente de velocidad se puede obtener experimentalmente de la siguiente forma: En el origen (o), las componentes de las velocidades son: Vy = 0 Vx =V (Vx se mantiene constante en todas las direcciones) Igualando con la ecuación de velocidad a través de un orificio y despejando el coeficiente de velocidad, se obtiene la siguiente expresión: Así entonces, midiendo las coordenadas (x , y) en un punto de la trayectoria del chorro y la carga H sobre el orificio, se puede obtener el coeficiente de velocidad. Para el coeficiente de descarga se involucra el gasto medido físicamente en el dispositivo y el gasto aplicando la ecuación de continuidad afectando éste último por el coeficiente de descarga de la siguiente manera: CUADRO DE DATOS Y TOMA DE RESULTADOS A partir de aquí los resultados y toma de lecturas se encuentran en las siguientes páginas realizadas en Excel para un mejor análisis. CONCLUSIONES Se pudo visualizar durante la práctica que el comportamiento de un chorro en diferentes superficies es diferente, así como la fuerza con la que va a impactarse con dicha superficie. Dependiendo de la capacidad que tenga la bomba su carga o también la fuerza del chorro va a depender de esto. En el impacto dependiendo de la superficie la forma de propagación del líquido será diferente en su dispersión, así como su concentración será diferente. En el análisis de los resultados de la gráfica existe un punto en el que las variables se disparan, concluimos que es el punto de máximo caudal permisible y en el que suponemos que existe un cambio de flujo de laminar a turbulento. BIBLIOGRAFIA [1] Mecánica de Fluidos. Frank M. White. Ed. McGraw-Hill. 1979. [2] Memento des pertes de charge (9ª Edición). I.E. Idel’cik. 1986. [3] Manual de Ingeniería Hidráulica. Armando Coutinho de Lencastre. Universidad Pública de Navarra. 1998. [4] Ingeniería Hidráulica aplicada a los sistemas de distribución de agua (Vol. I). Unidad docente de Mecánica de Fluidos de la Universidad Politécnica de Valencia. 1996. Páginas de la 74 a la 124 y de la página 283 a la 321. [5] Fundamentos de Mecánica de Fluidos (2ª Edición). P. Gerhart, R. Gross y J. Hochstein. Ed. Addison-Wesley Iberoamericana. 1995. Páginas de la 439 a la 495. [6] Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías. División de Ingeniería de Crane. McGraw-Hill. 1993. ANEXOS