UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA
CIVILDEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
Facultad de Ingeniera Civil
Departamento Acadmico de hidrulica e hidrologa
LABORATORIO N 3Estudio de orificios y boquillas
Curso : Mecnica de Fluidos I
Profesora :Ing. Rocio Arista
Alumno(s) : MELGAREJO GOMEZ,Jerson Ruben20130066F
MELGAREJO GOMEZ,Jerson Ruben20130066F
MELGAREJO GOMEZ,Jerson Ruben20130066F
ORIFICIOS Y BOQUILLAS1) INTRODUCCIONEl estudio de las boquillas
se debe a poder realizar una medicin aceptable las prdidas
originadas en las mismas, con lo que se puede conocer cules son
realmente los volmenes o caudales que pasan por un canal o una
tubera, esto es de gran importancia en la ingeniera civil para el
diseo de canales, represas, depsitos, etc.2) OBJETIVOS
Conocer la clasificacin y usos de los orificios y boquillas.
Determinar el caudal que pasa a travs de un orificio y de una
boquilla. Determinar las ecuaciones y curvas de patronamiento de
orificios y de boquillas.
3) GENERALIDADES
El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un
recipiente o pasa a travs de una tubera. El orificio en el caso de
un recipiente, puede hacerse en la pared o en el fondo. Es una
abertura generalmente redonda, a travs de la cual fluye lquido y
puede ser de arista aguda o redondeada. El chorro del fluido se
contrae a una distancia corta en orificios de arista aguda. Las
boquillas estn constituidas por piezas tubulares adaptadas a los
orificios y se emplean para dirigir el chorro lquido. En las
boquillas el espesor de la pared e debe ser mayor entre 2 y 3 veces
el dimetro d del orificio.
ORIFICIO BOQUILLA
4) CLASIFICACIN DE LOS ORIFICIOS
4.1) Segn el ancho de la pared
Orificios de pared delgadaEs un orificio de pared delgada si el
nico contacto entre el lquido y la pared es alrededor de una arista
afilada y e < 1.5d, como se observa en la siguiente figura.
Cuando el espesor de la pared es menor que el dimetro (e < d) no
se requiere biselar.
Orificios de pared gruesa
La pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y
1.5d < e < 2d. Se presenta adherencia del chorro lquido a la
pared del orificio.
4.2) Segn la forma
Orificios circulares. Orificios rectangulares. Orificios
cuadrados. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA
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Lab.Orificios y Boquillas Pgina 2
4.3) Segn sus dimensiones relativas
Segn Azevedo, N y Acosta, A. Netto los orificios se pueden
clasificar segn sus dimensiones relativas as:
Orificios pequeosSi d~~H
d: dimetro del orificio.H: profundidad del agua hasta el centro
del orificio.
4.4) Segn su funcionamiento
Orificios con descarga libre. En este caso el chorro fluye
libremente en la atmsfera siguiendo una trayectoria parablica.
Orificios con descarga ahogada. Cuando el orificio descarga a
otro tanque cuyo nivel est por arriba del canto inferior del
orificio, se dice que la descarga es ahogada. El funcionamiento es
idntico al orificio con descarga libre, pero se debe tener en
cuenta la carga h es entre la lmina de flujo antes y despus del
orificio.
5) CLASIFICACIN DE LAS BOQUILLAS
Cilndricas.- tambin denominadas boquillas patrn y de
comportamiento similar al de un orificio de pared gruesa. Aquellas,
a su vez, estn divididas en interiores y exteriores. En las
boquillas interiores (o de Borda) la contraccin 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 0.51 (Azevedo, N. y Acosta, A., 1976). Para el caso de boquillas
cilndricas externas con la vena adherida a las paredes se tiene un
coeficiente de descarga de 0.82 (Azevedo, N. y Acosta, A., 1976),
ver Tabla III.1.
Cnicas.- con estas boquillas se aumenta el caudal, ya que
experimentalmente se verifica que en las boquillas convergentes la
descarga es mxima para q = 13 30, lo que da como resultado un
coeficiente de descarga de 0.94 (notablemente mayor al de las
boquillas cilndricas). Las boquillas divergentes con la pequea
seccin inicial convergente se denominan Vnturi, puesto que fueron
estudiadas por este investigador, que demostr experimentalmente que
un ngulo de divergencia de 5 grados y e = 9d permite los ms altos
coeficientes de descarga.
6) FORMULAS PARA ORIFICIOS
El caudal que pasa a travs de un orificio de cualquier tipo, est
dado por la siguiente ecuacin general de patronamiento:
Q: caudal.K: constante caracterstica del orificio.H: carga
hidrulica medida desde la superficie hasta el centro del
orificio.m: exponente.
7) CLCULO DE LA VELOCIDAD TERICA Vt
Aplicando la ecuacin de energa entre 1 y 2, en la Figura se
tiene:
Para el caso de un estanque libre la velocidad presin y relativa
son nulas (V1=0, P1=0), si el chorro en 2 est en contacto con la
atmsfera P2=0, y despreciando prdidas hp, se tiene que la velocidad
terica en 2 es:
8) COEFICIENTE DE FLUJO
Coeficiente de descarga Cd.- es la relacin entre el caudal real
que pasa a travs del dispositivo y el caudal terico.
Q:caudalVR:velocidad realAch:rea del chorro o realVt:velocidad
tericaA0:rea del orificio o dispositivoH:carga hidrulica
Este coeficiente Cd no es constante, vara segn el dispositivo y
el Nmero de Reynolds, hacindose constante para flujo turbulento
(Re>105). Tambin es funcin del coeficiente de velocidad Cv y el
coeficiente de contraccin Cc.
Coeficiente de velocidad Cv: es la relacin entre la velocidad
media real en la seccin recta de la corriente (chorro) y la
velocidad media ideal que se tendra sin rozamiento.
Coeficiente de contraccin Cc: relacin entre el rea de la seccin
recta contrada de una corriente (chorro) y el rea del orificio a
travs del cual fluye.
9) CLCULO DEL CAUDAL DE UN ORIFICIO
Para determinar el caudal real en un orificio se debe considerar
la velocidad real y el rea real, por tal razn se deben considerar
los coeficientes de velocidad Cv y contraccin Cc.
10) DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD Cv
Si se desprecia la resistencia del aire, se puede calcular la
velocidad real del chorro en funcin de las coordenadas
rectangulares de su trayectoria X, Y, Figura III.5. Al despreciar
la resistencia del aire, la velocidad horizontal del chorro en
cualquier punto de su trayectoria permanece constante y ser:
Vh: velocidad horizontal.X: distancia horizontal del punto a
partir de la seccin de mxima contraccin.t: tiempo que tarda la
partcula en desplazarse.
La distancia vertical Y recorrida por la partcula bajo la accin
de la gravedad en el mismo tiempo t y sin velocidad inicial es:
Reemplazando y teniendo en cuenta que Vh =Vr.
Teniendo en cuenta que , se obtiene:
Haciendo varias observaciones, para cada caudal se miden H, X y
Y, se calcula el Cv correspondiente. Si la variacin de Cv no es muy
grande, se puede tomar el valor promedio como constante para el
orificio.
11) CLCULO DE LA PRDIDA DE CARGA (hp)
y despejando las perdidas hp
Pero H es funcin de V y Cv as:
Reemplazando en la ecuacin de prdidas
Finalmente
Donde el coeficiente de prdida por el orificio Ko est dado
por:
12) DESCRIPCION DE LA INSTALACION PARA EL ENSAYO:
La instalacin consiste en un depsito de forma rectangular; en el
cul ingresa el agua por un tubo mediante una bomba. El tubo acaba
dentro del depsito con ranuras laterales, cuyo fin es tranquilizar
el ingreso del agua al depsito. En la pared anterior del depsito
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
tipo mariposa.
Dentro del depsito existe una plancha batiente de umbral
inferior a las paredes que viene sostenido y controlado por dos
cables, regulables desde un eje. Sobre el umbral de la compuerta
batiente vierte el exceso de agua bombeado que no sale por el
orificio o boquilla. La compuerta batiente permite a la vez regular
el nivel del agua en el depsito para diversas posiciones, a la vez
de obtener un estado permanente. El exceso de agua pasa a un
compartimento al costado desde donde se deriva a un desage.
Sobre el umbral de la compuerta batiente vierte el exceso de
agua bombeado que no sale por el orificio o boquilla. La compuerta
batiente permite a la vez regular el nivel del agua en el depsito
para diversas posiciones, a la vez de obtener un estado permanente.
El exceso de agua pasa a un compartimiento al costado desde donde
se deriva a un desage.
CORTE POSTERIOR DEL DEPSITO
Instrumentacin:El nivel del agua en el depsito se mide en un
recipiente provisto de un limnmetro de punta doble. Este recipiente
est conectado con el depsito por medio de una manguera que hace un
vaso comunicante. El limnmetro de punta doble est calibrado para
medir el nivel en el depsito respecto al eje del orificio o
boquilla.Para 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 seccin triangular. Para medir la
descarga basta con medir la carga sobre el vertedero en un
limnmetro de punta invertida colocado al costado del canal de
acercamiento, y referirse a una tabla adjunta calibrada de carga
sobre el vertedero vs. Caudal.Otro instrumento ser un vernier para
medir las dimensiones de la boquilla.
13) PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO:
1. Familiarizarse en forma terica y prctica como instalacin del
ensayo
2. Medir las dimensiones de la boquilla, dimetro interno y
longitud utilizando el vernier.
3. Llenar el depsito con agua.4. Establecer un nivel y carga H
constante en el depsito manipulando la compuerta batiente.5.
Realizar las siguientes mediciones simultneas La carga H en el
limnmetro de punta doble El caudal Q r utilizando el vertedero
triangular Trazar la trayectoria del chorro de agua.
6. Repetir
14) DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
ETAPAH altura de maquinah altura vertederoQv
171.32117.11.584
261.69113.51.465
350.9109.61.348
440.21103.91.177
530.298.51.03
625.4995.20.946
D orificio2.92cm
1ra etapaD=2.64cm
XYVr (cm/s)VpromCvCv prom
100.7264.710.71
151.8247.610.66
253.4300.280.80
356.2311.31280.980.830.75
2da etapaD=2.645cm
XYVr (cm/s)VpromCvCv prom
101221.470.64
152.1229.250.66
254.2270.170.78
357.8277.55249.610.800.72
3ra etapaD=2.66cm
XYVr (cm/s)VpromCvCv prom
101221.470.70
152234.910.74
254.5261.010.83
358274.06247.860.870.78
4ta etapaD=2.685cm
XYVr (cm/s)VpromCvCv prom
101.5180.830.64
152.5210.110.75
255.8229.900.82
3510.5239.22215.010.850.77
5ta etapaD=2.70cm
101.9160.670.66
153191.800.79
257.3204.930.84
3513.4211.76192.290.870.79
101.9160.670.66
6ta etapaD=2.71cm
XYVr (cm/s)VpromCvCv prom
102.1152.830.68
153.9168.220.75
258.5189.910.85
3515200.14177.780.890.79
15) CUESTIONARIO
a. Explique a que se debe la formacin de la contraccin de un
chorro. La cavitacin o aspiracin en vaco es un efecto hidrodinmico
que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado
lquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo
una descompresin del fluido debido a la conservacin de la constante
de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance
la presin de vapor del lquido de tal forma que las molculas que lo
componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formndose
burbujas o, ms correctamente, cavidades. Las burbujas formadas
viajan a zonas de mayor presin e implotan (el vapor regresa al
estado lquido de manera sbita, aplastndose bruscamente las
burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de
la superficie en la que origina este fenmenob. Deduzca la ecuacin
general para orificios de grandes dimensiones y poca carga.En
grandes orificios, la velocidad vara en los diferentes puntos de la
seccin del orificio con la altura z, a no ser que el orificio est
situado en el fondo del depsito. El caudal infinitesimal que
circula a travs de la seccin (ldz), es:
Orificios con contraccin incompleta, se hacen coincidir uno o ms
lados del orificio con las paredes laterales y desaparece la
contraccin en se o esos lados. Se puede hablar de dos tipos de
contraccin incompleta en un orificio.
Cuando las paredes o el fondo del recipiente se encuentran a
distancias inferiores a 3D (D es el dimetro de los orificios) o
bien, a 3 a (a, dimensin mnima en orificios rectangulares), se dice
que la contraccin en el orificio es parcialmente suprimida.Si se
llega al caso extremo en que una de las fronteras del recipiente
coincida con una arista del orificio, se dice que la contraccin es
suprimida en esa arista; en tal caso el orificio se apoya sobre la
pared del recipiente.En el caso de contraccin parcialmente
suprimida, se puede utilizar la siguiente ecuacin emprica para
calcular el coeficiente de gasto a saber:
Donde Cd es el coeficiente de gasto del orificio; Cdo el
coeficiente de gasto del mismo orificio con contraccin completa; A0
el rea del orificio; Ar el rea de la pared del recipiente en
contacto con el agua.A0Ar
c. Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de
descarga sumergida.Cuando el orificio descarga a otro tanque, que
cuyo nivel est por arriba del canto inferior del orificio, se dice
que la descarga es ahogada. El ahogamiento puede ser total o
parcial.
AHOGAMIENTO TOTAL
AHOGAMIENTO PARCIALEn el caso de descarga ahogada total se puede
derivar una ecuacin anloga a la general , con la nica diferencia
que la energa total H es entonces AH (diferencia de niveles entre
los dos recipientes); el gasto es entonces:
Se recomienda utilizar el mismo coeficiente de gasto Cd que el
de un orificio de descarga libre.Cuando el ahogamiento es parcia,
el gasto total descargado por el orificio se puede expresar como la
suma Q1 y Q2, donde Q1 es el gasto correspondiente a la porcin del
orificio con descarga ahogada, es decir:
y Q2 es el gasto de la porcin del orificio con descarga libre, a
saber:
No hay investigaciones confiables acerca de los coeficientes de
gasto Cd1 y Cd2 al respecto, Schlag propone que Cd1=0.70 y
Cd2=0.675, en el caso de que el orificio tenga un umbral de
fondo.Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de
pared gruesa.Cuando la pared en el contorno de un orificio no tiene
aristas afiladas, el orificio es de pared gruesa o tubo corto.
En este tipo de orificio se observa que el chorro, una vez que
ha pasado la seccin contrada, tiene todava espacio dentro del tubo
para expandirse y llenar la totalidad de la seccin. Entre la seccin
contrada y la final ocurre un rpido descenso de la velocidad
acompaado de turbulencia y fuerte prdida de energa. Por un
razonamiento anlogo al de los orificios de pared delgada.Tubo
corto
Tubos cilndricos rentrantes
Tubos cilndricos para aristas agudas y redondeadas.
d. Calcular los coeficientes de descarga Cd y de resistencia de
flujo K.
ETAPAVrVtA boqA chorroQr (lt/s)Qt (lt/s)CcCvCdK
1280.98374.646.705.471.542.510.820.750.610.78
2249.61346.686.705.501.372.320.820.720.590.93
3247.86317.776.705.561.382.130.830.780.650.64
4215.01279.236.705.661.221.870.850.770.650.69
5192.29243.416.705.731.101.630.860.790.680.60
6177.78225.046.705.771.031.510.860.790.680.60
e. Graficar los valores obtenidos de Cd y K versus H/D,
agrupndolos en dos curvas
f. Graficar los datos de caudal Qr versus la carga H.
g. Grafique la trayectoria del chorro y verifique en el mismo
grfico con la trayectoria terica.ETAPA 1
ETAPA 2
ETAPA 3
ETAPA 4
ETAPA 5
ETAPA 6
h. Comente y haga conclusiones en base a los grficos
presentados, manifestando entre otras cosas las razones de la
concordancia o discrepancia con los valores predichos por la
teora.
Los datos obtenidos sufren de una serie de errores debido al
error de cada sistema que se utilizo para hallar cada uno de los
datos, estas inexactitudes generan una diferencia entre los
resultados tericos y los resultados obtenidos.Al analizar las
curvas se hace notar que las graficas de Cd en todos los puntos
tiene la misma desviacin estndar lo cual genera un error general en
la toma de todos los puntos, con lo que se concluye que es un error
de calibracin al no ser aleatorio. Uno de los puntos se hace notar
que no guarda la misma relacin con los dems y este es el que menor
carga tenia por lo cual se concluye que para caudales menores de
1.69 l/s dicho dispositivo arrojara valores fuera del rango, por lo
que se tendra que utilizar un dispositivo de mayor calibracin.Al
analizar las curvas de trayectoria del fluido el punto de
referencia se toma a una distancia de 0.5 cm del orificio, con lo
cual la Vr se ve distorsionada ya que en ese punto no es
horizontal, esto se hace notorio en las graficas de ajustes la cual
se realizo por mnimos cuadrados en la que los primeros puntos de
cada medicin siempre estn debajo de la curva ajustada. Adems cuanto
mayor es el caudal tambin se nota mayor distorsin en la
trayectoria.
i. Presentar una relacin de coeficientes de descarga, de
velocidad, de contraccin, de prdidas de carga tericas, para
diversos tipos de orificios, boquillas y tubos cortos.
j. Mencionar la aplicacin prctica de tales coeficientes, por
ejemplo para el diseo de qu tipo de obras se utilizan. En la
industria automotriz en la alimentacin de diferentes equipos como
los carburadores. En la industria de limpieza, en la cantidad de
gases contaminantes que genera o desfoga una maquinaria, o en los
lavadores dinmicos de roci para la eliminacin de material
suspendido. En la ingeniera mecnica para la elaboracin de
dispositivos de corte por chorro. En la ingeniera civil para el
diseo de canales y vertederos, as como clculo del caudal real. Y as
en un sinfn de ramas en las cuales se necesite realizar la medicin
del flujo que pasa por una seccin.
16) BIBLIOGRAFIA:
Domnguez F. Hidrulica: Editorial Universitaria Universal de
Chile 5ta ed. 1974 King H. Manual de Hidrulica UTEHA Mxico 1993
Sotelo A. G. Hidrulica General. Vol 1 : Fundamentos. Editorial
Limusa S.A. De C.V. Mxico 1989 Streeter V. Mecnica de los Fluidos;
McGraw Hill Book Company. Espaa 1968.
Lab.Orificios y Boquillas Pgina 8