descarga por orificios
TRANSCRIPT
Universidad de OrienteNúcleo de Anzoátegui
Escuela de Ingeniería y Ciencias AplicadasDepartamento de Ingeniería Civil
Laboratorio de Hidráulica
DESCARGA POR ORIFICIOS
Profesor: Bachilleres:Bou Ghannam Mounir Brigitte Pillkahn C.I: 19.717.349 Manuel Ferrer C.I: 19.584.147Preparador: Lilireth Jiménez C.I: 20.376.255Alvaro Cifuentes Grupo: 04 Sección: 01
Barcelona, Enero de 2011ÍNDICE
Contenido Pág.
Objetivo General……………………………………………………………….……3
Teoría…………………………………..……………………………………….…..4-6
Materiales y equipos utilizados………………………………………………………7
Procedimiento………………………………………………………………………..8
Resultados……………………………………………………………………………9
Gráficos………………………………………………………………………….......11
Conclusiones y Recomendaciones……………………………………………..…….13
Apéndice…………………………………………………………………………...14-22
Bibliografía…………………………………………………………………………...23
2
OBJETIVO GENERAL
Determinar el gasto a través de un orificio de pared delgada para diferentes alturas de carga.
3
ORIFICIO
Los orificios son perforaciones, generalmente de forma geométrica y perímetro
cerrado, hechos por debajo de la superficie libre del líquido, en las paredes de los depósitos,
tanques, canales o tuberías.
El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a través de
una tubería. En el caso de un recipiente, puede hacerse en la pared o en el fondo.
FLUJO POR UN ORIFICIO EN LA PARED DE UN TANQUE
Debido a la presión interior, por el orificio se producirá una descarga de agua, tanto
mayor cuanto mayor sea el tamaño del orificio, en la dirección perpendicular a la pared.
Lógicamente el fluido sale a través de toda la sección del orificio, pero en realidad
la dirección de la velocidad en cada posición es distinta. En efecto, la forma de las líneas de
corriente por el interior del tanque hace que en la sección del orificio el vector velocidad
tenga en cada punto una componente radial hacia el eje. El conjunto de estas componentes
hacen que la sección del chorro se reduzca en cierta medida tras pasar el orificio, hasta que
las componentes radiales se contrarrestan entre sí. La zona del chorro en la que la sección
es mínima se designa como vena contracta. El efecto de vena contracta es tanto más
acusado cuantos más vivos sean los bordes del orificio por el interior del tanque, pues más
dificultad tiene entonces las líneas de corriente para adaptarse a la geometría.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
Según el ancho de la pared:
Orificios de pared gruesa
La pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y el espesor se encuentra
entre 1,5 y 2 veces el diámetro (1.5d < e < 2d). Se presenta adherencia del chorro líquido a
la pared del orificio.
4
En este caso, el coeficiente de velocidad CV es también un coeficiente de gasto. La
fórmula para obtener el gasto en orificios practicados en pared gruesa, en donde se ha
eliminado la contracción del chorro al salir. Cuando el orificio es practicado en pared
gruesa, el coeficiente de gasto tiene un valor medio de 0,98 de lo cual resulta un gasto
aproximadamente 40% mayor que en los orificios de pared delgada.
Orificios de pared delgada
Es un orificio de pared delgada si el único contacto entre el líquido y la pared es
alrededor de una arista afilada y el espesor e < 1.5d, como se observa en la figura. Cuando
el espesor de la pared es menor que el diámetro (e < d) no se requiere biselar.
Si la pared es considerada delgada, el chorro del líquido apenas toca la perforación en
una línea que constituye el perímetro del orificio. Los orificios en paredes delgadas son
construidos en placa fina o por corte en bisel.
Los orificios de pared delgada se caracterizan por la contracción; mientras que los
orificios de pared gruesa se caracterizan por la pérdida de carga en la entrada por fricción y
contracción final.
Según la forma
Orificios circulares.
Orificios rectangulares.
Orificios cuadrados.
5
Según su funcionamiento
Orificios con descarga libre
En este caso el chorro fluye libremente en la atmósfera siguiendo una trayectoria
parabólica.
Orificios con descarga ahogada
Cuando el orificio descarga a otro tanque cuyo nivel está por arriba del canto inferior
del orificio, se dice que la descarga es ahogada. El funcionamiento es idéntico al orificio
con descarga libre, pero se debe tener en cuenta que la carga h es entre la lámina de flujo
antes y después del orificio.
Según sus dimensiones relativas
Azevedo, N y Acosta, A. Netto postulan que los orificios se pueden clasificar según sus
dimensiones relativas en:
Orificios pequeños
Orificios grandes
Según su contracción
Orificio Con Contracción Parcial
Este tipo de orificios se presenta cuando el orificio está en contacto con el fondo o una
parte lateral suprime la curvatura de las líneas de corriente que se encuentran de ese lado.
Orificio Con Contracción Incompleta
Cuando la contracción de las líneas de corriente pueden hacerse menos pronunciadas
mediante disposiciones.
6
MATERIALES Y EQUIPOS
EQUIPOS
Tanque de alimentación
Electrobomba centrífuga
Tanque de descarga
Cronómetro
Cinta Métrica.
Marca Stanley.
Apreciación 0,1 cm.
Capacidad 3 Metros.
Válvulas
MATERIALES
Jarra plástica
Cilindro graduado
Regla graduada de 30cm.
Apreciación 1mm.
Regla graduada de 60cm.
Apreciación 1mm.
Tubería
Agua
Manguera
.7
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Se lleno el tanque con agua hasta una altura deseada.
2. Se midió la altura de agua con la regla que contiene el tanque de alimentación.
3. Se comenzó a regula la salida de agua, para luego medir la longitud horizontal del
corro de descarga, esta medición se realizo con una escuadra.
4. Se midió con la cinta métrica la altura que existía desde la superficie del agua que se
encontraba en el tanque de alimentación hasta el centro del orificio de descarga.
5. Luego se realizo el aforo, colocando una jarra en el chorro y al mismo tiempo
activando el cronometro, después se quitaba la jarra y en ese mismo instante se desactivaba
el cronometro.
6. Se calculo el volumen de agua obtenida en la jarra a través cilindro graduado.
7. Todos los pasos anteriores se realizaron 4 veces.
8. Después de haber realizados todo lo anterior se procedió a descargar el agua,
conjuntamente se activo el cronómetro desde el inicio de la descarga de hasta llegar al
centro del orificio, cada vez que el agua iba llegando a unas alturas anteriormente
establecidas se fue leyendo el tiempo.
8
RESULTADOS
1.- Caudal de aforo y caudal calculado
Ensayo Qaforo (L/s) Qcal (L/s) Qreal (L/s)
1 0.45 0.437 0.444
2 0.79 0.509 0.649
3 0.66 0.544 0.602
4 0.60 0.592 0.596
2.- Velocidad real
Ensayo Vreal (m/s)
1 2.032
2 2.375
3 2.539
4 2.768
3.- Longitud del chorro
Ensayo X (m) Xmed (m) Lreal (m) Y (m) Ymed 9m)
1 0.625 0.71 0.67 0.62 0.596
2 0.74 0.853 0.79 0.65 0.633
3 0.81 0.926 0.87 0.69 0.653
4 0.855 1.033 0.94 0.71 0.683
9
4.- Coeficiente de descarga
Ensayo Cd
1 0.673
2 1.011
3 0.790
4 0.659
5.- Tiempo total de vaciado
Ensayo Tcal (seg)
1 25.47
2 34.19
3 32.68
4 37.14
10
GRÁFICOS
12
CONCLUSIÓN
Se pudo observar una diferencia en varios de los caudales, éste error puede estar debido
al volumen tomado en cada espacio de tiempo, tomando en cuenta las diferentes alturas
correspondientes al nivel del agua.
También se observa cierta diferencia en los coeficientes de descarga, debido a que el
coeficiente calculado está relacionado con con el caudal de aforo donde el mismo puede
tener un error en el volumen de agua tomado.
Al realizar los cálculos correspondientes para obtener la longitud del chorro de agua, se
observó que las coordenadas horizontales y verticales guardaban relación entre si, lo que
quiere decir que se cumplió en cierto modo con el objetivo, es decir, se pudo demostrar
teórica y experimentalmente.
RECOMENDACIONES:
Realizar un buen manejo de los instrumentos del laboratorio, para así obtener
resultados eficaces luego de realizado el experimento.
13
APÉNDICE
ECUACIONES EMPLEADAS
Qaforo=Vol / t
Cd=Cv∗Cc
Qcal=Cd∗Ao∗√2gh
Cd (corregido)=Qmed / Ao∗√ 2 gh
Vreal=√2 gh∗Cv
Lcal=X=Vreal/√ g/2 y
tcal=(2 A /Cd∗Ao∗√ 2 g)∗(√ h−√ h 1)
Qreal=Qaforo+Qcal /2
Lreal=Lmed+Lcal /2
15
NOMENCLATURA
Qaforo: Caudal de aforo (m3/seg ).
Qcal: Caudal calculado (m3/seg ).
Qreal: Caudal real (m3/seg ).
Lmed: Longitud medid (m).
Lcal: Longitud calculada (m).
Lreal: Longitud real (m).
Cd: Coeficiente de descarga (adimensional).
Cv: coeficiente de velocidad (adimensional.
Cc: coeficiente de contracción (m).
Vreal: Volúmen real (m3).
A: Área del orificio (m2).
Ao: Área del orificio (m2).
V: Volúmen (m3).
T: Tiempo (seg).
H= Altura a partir del centro del orificio (m).
16
EJEMPLOS DE CÁCULOS
Caudal de aforo
Para el ensayo 1:
Qaforo (1) = 0.198 L / 0.44 seg, entonces Qaforo (1) = 0.45 L/seg
Caudal calculado
Para ensayo 1:
Qcal (1) = 0.6531 * 3.142x10^(-4) * √2∗9.81∗0.231 * 1000
Qcal (1) = 0,437 L/seg
Velocidad real
Para ensayo 1:
Vreal (1) = √2∗9.81∗0.231 * 0.9543
Vreal (1) = 2.032 m/seg
Coordenada en X
Para ensayo 1:
Lcal (1) = 2.032 / √ (9.8 /2∗0.596)
Lcal (1) = 0.71 m
Coeficiente de descarga
Para ensayo 1:
Cd (1) = 4.5x10^(-4) / 3.142x10^(-4) *√2∗9.81∗0.231
Cd (1) = 0.673
Tiempo de vaciado
Para ensayo 1:
Tcal (1) = ( 2 * 0.256 / 0.6531 * 3.142x10^(-4) * √2∗9.81 ) * (√0.427 – √0.37¿
Tcal (1) = 25,45 seg
ASIGNACIONES
1.- Caudal que pasa por el orificio y comparación con el caudal de aforo
Caudal calculado:
Ensayo H (cm) Cd
1 23.1 0.6531
2 31.5 0.6521
3 36 0.6515
4 42.7 0.6506
NOTA: Los Cd y Cv se obtuvieron a través de interpolación en las tablas 1.5 y 1.6
de J.M. De Azevedo.
Caudal de aforo:
Ensayo Vol (ml) T (seg)
1 198 0.44
2 244 0.31
3 242.5 0.37
4 172.5 0.29
2.- Velocidad real del chorro para diferentes alturas
Ensayo H (cm) Cv
1 23.1 0.9543
2 31.5 0.9552
3 36 0.9556
4 42.7 0.9563
18
3.- Longitud del chorro
Coordenada en Y
NOTA: Las diferentes alturas mostradas anteriormente se obtienen conociendo el
volumen del tanque de alimentación y el volumen del tanque de descarga, para así
determinar el valor de “y”.
Coordenada en X
Ensayo Altura
1 0.304
2 0.267
3 0.247
4 0.217
Ensayo Vreal (m/s) Y (m)
1 2.032 0.596
2 2.375 0.633
3 2.539 0.653
4 2.768 0.683
4.- Coeficiente de descarga
Ensayo Q aforo (m3/s) H (m)
1 0.00045 0.231
2 0.00079 0.315
3 0.00066 0.36
4 0.00060 0.427
19
5.- Tiempo total de vaciado
Ensayo Cd H (m) H1 (m)
1 0.6531 0.427 0.37
2 0.6521 0.37 0.30
3 0.6515 0.30 0.24
4 0.6506 0.24 0.18
6.- Definiciones
TIPOS DE ORIFICIOS
En función del grueso de la pared pueden ser:
De pared delgada: Si el contacto de la vena líquida con la pared tiene lugar en una línea EL grosor de pared es menor que 4 ó 5 centímetros.
De pared gruesa : Si el contacto es en una superficie.
Según el tamaño relativo de la carga:
Pequeños orificios, carga h relativamente grande con respecto a la dimensión vertical del orificio
Grandes orificios, en caso contrario.
Según su funcionamiento hidráulico:
Orificios con desagüe libre, desaguan al aire libre. Orificios sumergidos, desaguan bajo el nivel estático o casi estático de un segundo
depósito .es decir, cuando el nivel del líquido en el canal de salida o recipiente inferior está por arriba de la arista o borde superior del orificio.
Orificios parcialmente sumergidos seguidos de canal, el desagüe no es totalmente libre por estar seguidos de un canal en funcionamiento.
Orificios sin velocidad inicial Orificios con velocidad inicial, las dimensiones del depósito, canal o embalse donde
se halla el orificio son relativamente pequeñas y el agua circula con una velocidad digna de consideración.
20
Según el tipo de contracción:
Orificios de contracción completa, los filetes líquidos que ocupan la periferia del orificio provienen de las zonas próximas a las paredes interiores
Orificios con contracción incompleta, se hacen coincidir uno o más lados del orificio con las paredes laterales y desaparece la contracción en ése o esos lados
Orificios con contracción imperfecta, el orificio está cerca pero no coincide con la pared.
Orificios sin contracción, los filetes se adaptan a la curvatura del orificio, como son los orificios en los que no hay aristas.
7.- Gráficas:a) Qreal vs Altura (H)
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Gráfica (Caudal real vs H)
21
b) Lreal vs Altura (H)
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Gráfica (Longitud real vs H)
c) Tiempo de vaciado vs Altura (H)
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Gráfica ( Tiempo vs H)
22
BIBLIOGRAFÍA
BOU GHANNAM, M. 2007. “Laboratorio de Hidráulica”. Universidad de Oriente. Venezuela.
STREETER, V. 1999, “Mecánica de Fluidos”. Novena edición Colombia.
MOTT, Robert 1996. Mecánica de los Fluidos. Cuarta Edición.
CHOW, V 1994. Hidráulica de canales Abiertos. Primera edición. Editorial McGraw, Interamericana S.A Colombia.
23