LABORATORIO DE ORIFIOCOS DE DESCARGA LIBRE

LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE SISTEMAS A PRESIÓN

LABORATORIO ORIFICIOS DE DESCARGA LIBRE

Presentado Por:

Andrea Paola Alfonso Barrios

Juan José Giraldo

Juan Sebastián Gutiérrez Piñeros

Juan Vargas

Presentado a:

Ing. Mónica Rodríguez

[pic 1]

Laboratorio de hidráulica de sistemas a presión

Programa de Ingeniería Civil

ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA JULIO GARAVITO

Bogotá D.C

2016-2

TABLA DE CONTENIDO

1.        INTRODUCCIÓN        

2.        OBJETIVOS        

3.        MARCO TEORICO        

4.        ESQUEMA        

5.        INSTRUMENTACIÓN        

6.        PROCEDIMIENTO        

7.        DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO        

8.        CALCULOS        

9.        TABLA DE ANALISIS        

CONCLUSIONES        

BILBIOGRAFIA        

1. INTRODUCCIÓN

En un sistema a presión generalmente se pueden presentar pérdidas de energía expresadas en términos de alturas a causa de la fricción, la presencia de accesorios y/o localizadas debidas a las irregularidades que presenta la tubería a lo largo de su eje. Conocer el caudal que circula en un sistema de tuberías nos permite conocer la velocidad del flujo en función de la sección transversal, y nos permite cuantificar la cantidad de agua disponible de acuerdo al propósito para que se requiera. Existen múltiples formas de medir el caudal de forma indirecta, una de ellas es mediante instrumentos de aforo, mediante la reducción de la sección de la tubería, lo cual genera una variación en las presiones que permiten la determinación del caudal circulante en un sistema de tuberías a presión, anteriormente calculamos el caudal circulante de manera indirecta a partir de una diferencia de presiones generadas por el venturimetro. El objetivo principal de este laboratorio consiste en calcular las pérdidas de energía generadas por una boquilla, y a partir de la variación de las presiones conocer el caudal circulante, para esto fijamos un caudal inicial aleatorio, tomamos las lecturas piezometricas, a partir de esto, dibujamos las líneas de energía y piezometricas, calculamos las pérdidas de energía generadas por la boquilla (debemos tener en cuenta la contracción y la expansión brusca), posteriormente calibramos la boquilla mediante el manómetro diferencial, finalmente determinamos el número de Reynolds en la primera sección y el coeficiente de descarga, Cd. Utilizando la gráfica (relación de áreas con número de Reynolds)

1. OBJETIVOS

                         GENERAL

Determinar experimentalmente los coeficientes de velocidad, contracción,y descarga,  partiendo de la trayectoria del chorro y del caudal medido volumétricamente.[pic 2][pic 3][pic 4]

                        ESPECIFICOS

• Evaluar el caudal a través de una tubería que presenta orificios de descarga libre.

• Observar como varían los coeficientes para diferentes números de Reynolds y determinar las pérdidas de energía para cada caso
• Graficar los diferentes valores de los coeficientes en función del número de Reynolds

1. MARCO TEORICO

ECUACION GENERAL PARA UN ORIFICIO CON DESCARGA LIBRE

Se considera un tanque lleno de líquido, donde en una de sus paredes laterales se ha hecho un orificio de pequeñas dimensiones, con una sección A, es posible desarrollar algunos análisis.

Si se supone que el nivel del tanque permanece constante, entonces el orificio descarga un caudal teórico,, [pic 5]

Para el cálculo del caudal se requiere conocer el área de la sección contraída, que se expresa en función del área del orificio.  

Al plantear la ecuación de Bernoulli, tomando como nivel de referencia una línea que pase por el centro de gravedad del orificio y despreciando la velocidad del agua en el tanque, se obtiene la siguiente expresión:

[pic 6]

Es importante anotar que en el caso que el orificio se encuentra sobre una pared inclinada, se desprecia la diferencia de alturas entre el centro de gravedad del orificio y el centro de gravedad de la sección contraída.  Despejando de la expresión anterior la velocidad:

[pic 7]

Ecuación No 2 “Torricelli”

Coeficiente de velocidad:

[pic 8]

Ecuación No 3 “Velocidad real”

Si el área de la sección contraída , se calcula en términos del orificio  utilizando un coeficiente de contracción Cc, se puede expresar como:[pic 9][pic 10]

[pic 11]

Entonces el caudal real calculado por el orificio es:

[pic 12]

Ecuación No 4 “Caudal real”

  Donde: [pic 13]

[pic 14]

DETERMINACION EXPERIMENTAL DE LOS COEFICIENTES Cc, Cv, y Cd

En el laboratorio los coeficientes se pueden determinar a partir de la trayectoria del chorro, Al aplicar la ecuación de Bernoulli entre la sección contraída y un punto cualquiera de la trayectoria, ya que el chorro se encuentra en la atmosfera se puede esperar que:                                  [pic 15]

Para un chorro con descarga libre se pueden establecer las siguientes relaciones entre las componentes de la velocidad en cada punto:

 [pic 16]

[pic 17]

Las coordenadas (x,y) del punto 2 se pueden obtener a partir de la cinemática:

[pic 18]

[pic 19]

Al eliminar t se obtiene que y en función de x y de las velocidades en la sección contraída es:

[pic 20]

Velocidad real contraída, en este caso como la pared en la que se encuentra el orificio es vertical, la velocidad en la sección contraída es la misma que la componente x.

[pic 21]

Ecuación No 5 “Velocidad real”

Conocidas estas expresiones se determina el coeficiente de velocidad, y conocido el caudal se obtiene el coeficiente de descarga, con el cual es posible determinar el coeficiente de contracción y el área contraída.

PERDIDAS DE ENERGIA

Si en el planteamiento de la ecuación de Bernoulli se incluyen las pérdidas de energía se tiene que:

[pic 22]

Ecuación No 6 “Perdidas de energía.

1. ESQUEMA

Él esquema está conformado de la siguiente manera y se muestra en la siguiente figura.

1. Tanque metálico de sección transversal rectangular.

 Una de las paredes con mayor diámetro es de vidrio mientras que las paredes donde se encuentran los orificios es de acrílico transparente. El tanque dispone de un sistema de alimentación y un sistema de excesos que permiten garantizar un nivel constante.

1. Tres orificios de sección circular y un orificio de sección cuadrada perforado en diferente posición vertical sobre una de las paredes del tanque.

1. Canal en acrílico para recoger el caudal evacuado por orificios que descargan libremente.

1. Tanque y probeta para medida volumétrica de caudales.

1. Tapones de caucho.

1. Cronometro.  

[pic 23]

[pic 24]

INSTRUMENTACIÓN

Tabla No 1 “instrumentación”

PROCEDIMIENTO

1. Seleccionar uno de los orificios de las secciones circulares, preferiblemente que se encuentre en la parte inferior, determinar experimentalmente los coeficientes de velocidad, contracción y descarga, a partir de la trayectoria del chorro y del caudal medido volumétricamente. Los coeficientes deben determinarse para diferentes valores del número de Reynolds. Es necesario realizar como mínimo 5 experimentos y en cada uno calcular las pérdidas de energía
2. Representar los diferentes valores de los coeficientes en un gráfico típico de variación de los coeficientes en función del número de Reynolds
3. Repetir pasos uno y dos para un orificio de sección cuadrada.
4. Descargar simultáneamente y libremente dos orificios manteniendo constante el nivel del tanque. Determinar experimentalmente el punto de cruce de los dos chorros con respecto a un nivel de referencia que pase por el fondo del canal de evacuación
5. Colocar los tapones a todos los orificios y llenar el tanque hasta cierto nivel, cuyo valor es preciso determinar. Verificar que el caudal de alimentación al tanque sea cero. Destapar solo uno de los orificios y determinar el tiempo de evacuación del depósito hasta el centro de gravedad del orificio destapado.
6. Nuevamente colocar los tapones a todos los orificios y llenar el tanque hasta su nivel máximo. Destapar de manera simultánea los 3 orificios de sección circular y determinar de manera experimental el tiempo que se tarda en:

• Evacuar el volumen que se encuentra por encima del centro de gravedad del orificio ubicado en la parte superior
• Evacuar el volumen que se encuentra entre el centro de gravedad del orificio superior y el centro de gravedad del orificio intermedio
• Evacuar el volumen que se encuentra por encima el orificio inferior
• Evacuar todo el deposito con los 3 orificios

DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO

[pic 29]         [pic 30]           [pic 31]

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