Orificios y Boquillas

INDICE1)INTRODUCCION22)OBJETIVOS23)GENERALIDADES24)CLASIFICACIN DE LOS ORIFICIOS24.1)Segn el ancho de la pared24.2)Segn la forma34.3)Segn sus dimensiones relativas44.4)Segn su funcionamiento45)CLASIFICACIN DE LAS BOQUILLAS46)FORMULAS PARA ORIFICIOS57)CLCULO DE LA VELOCIDAD TERICA Vt68)COEFICIENTE DE FLUJO6Coeficiente de descarga Cd.- es la relacin entre el caudal real que pasa a travs del dispositivo y el caudal terico.6Coeficiente 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.7Coeficiente 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.79)CLCULO DEL CAUDAL DE UN ORIFICIO710)DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD Cv811)CLCULO DE LA PRDIDA DE CARGA (hp)812)DESCRIPCION DE LA INSTALACION PARA EL ENSAYO:913)PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO:1014)DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO1115)CUESTIONARIO12a.Explique a que se debe la formacin de la contraccin de un chorro.12b.Deduzca la ecuacin general para orificios de grandes dimensiones y poca carga.12c.Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de descarga sumergida.14d.Calcular los coeficientes de descarga Cd y de resistencia de flujo K.16e.Graficar los valores obtenidos de Cd y K versus H/D, agrupndolos en dos curvas16f.Graficar los datos de caudal Qr versus la carga H.17g.Grafique la trayectoria del chorro y verifique en el mismo grfico con la trayectoria terica.18h.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.21i.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.22j.Mencionar la aplicacin prctica de tales coeficientes, por ejemplo para el diseo de qu tipo de obras se utilizan.2316)BIBLIOGRAFIA:23

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 INGENIERAFACULTA DE INGENIERIA CIVILDPTO. ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA11

BOQUILLAS Y ORIFICIOS11 |

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 ensayo2. 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

164.970114.0001.480

262.750111.4301.402

350.790107.0001.270

441.450103.0001.150

531.09097.0000.990

624.49092.0000.860

D orificio3.000cm

ETAPA 1:1ra etapad2.395cm

XYVr (cm/s)VpromCvCv prom

10.0001.200

15.0001.500271.2470.760

20.0002.500280.143297.4330.7850.833

40.0008.000313.2090.877

50.00011.600325.1330.911

ETAPA 22da etapad2.515cm


11.0001.000

16.0001.500289.3300.825

21.0002.600288.438305.0490.8220.869

41.0008.100319.0520.909

51.00012.200323.3770.922

ETAPA 33ra etapad2.540cm


11.0001.100232.2820.736

16.0002.200238.9070.757

18.0003.000230.161255.8330.7290.810

41.00010.000287.1460.910

51.00015.100290.6710.921

ETAPA 44ta etapad2.370cm


11.0001.100

16.0002.100244.5290.857

21.0003.100264.154261.8070.9260.918

41.00011.500267.7650.939

51.00017.400270.7790.950



11.0001.800

16.0002.400228.7360.926

21.0004.300224.287231.7510.9080.938

41.00014.500238.4620.966

51.00023.000235.5190.954



11.0001.900

16.0003.000204.5870.933

21.0005.200203.956208.5370.9300.951

41.00018.000214.0260.976

51.00028.500211.5760.965

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

1297.433357.0317.0694.5051.3402.5240.6370.8330.5310.441

2305.049350.8787.0694.9681.5152.4800.7030.8690.6110.323

3255.833315.6747.0695.0671.2962.2310.7170.8100.5810.523

4261.807285.1757.0694.4121.1552.0160.6240.9180.5730.186

5231.751246.9797.0694.8701.1291.7460.6890.9380.6460.136

6208.537219.2027.0694.9481.0321.5490.7000.9510.6660.105

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.

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