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INDICE

1. RESUMEN2. INTRODUCCIÓN3. OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS4. FUNDAMENTO TEÓRICO5. PARTE EXPERIMENTAL

5.1.PROCEDIMIENTOS 5.2.MATERIALES5.3.DATOS EXPERIMENTALES

6. RESULTADOS7. ANÁLISIS8. CONCLUSIONES9. RECOMENDACIONES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA - FACULTAD DE INGENIERÍA CIVILDepartamento Académico de Hidráulica e Hidrología

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ORIFICIOS Y BOQUILLAS

1. RESUMEN:

Esta experiencia se basa en la medición de caudal de Agua que pasa a través de una tubería, desarrollándose principalmente bajo dos métodos,mediante el tubo de Venturi y la Placa de Aforo, siendo que en ambos procedimientos se utilizan los mismos cálculos que nos permiten la obtención del Caudal

La experiencia de la realización del experimento se llevó a cabo de la mejor manera en el laboratorio nacional de hidráulica,

El laboratorio que nosotros aplicaremos consiste en el desarrollo de conceptos y aplicación para el cálculo del flujo de agua de descarga que pasa por tres distintas placas con orificios, y además a una diferente altura de columnas de agua. Un orificio se define como una abertura por lo general redonda por la cual fluye el fluido. La velocidad real de salida del chorro es menor que la teórica, pues en la salida se presentan pérdidas por fricción. Una placa orificio es un disco con un agujero circular concéntrico con la tubería y de sección más estrecha,

2. INTRODUCCIÓN:

El estudio de las boquillas se debe a poder realizar una medición aceptable las pérdidas originadas en las mismas, con lo que se puede conocer cuáles son realmente los volúmenes o caudales que pasan por un canal o una tubería, esto es de gran importancia en la ingeniería civil para el diseño de canales, represas, depósitos, etc.

3. OBJETIVOS:

Conocer la clasificación y usos de los orificios y boquillas. Determinar el caudal que pasa a través de un orificio. Verificar experimentalmente que se cumplen las condiciones para la aplicación de la ley

de Torricelli. Determinar los coeficientes de velocidad, descarga y contracción por un orificio, bajo

carga constante. Determinar las ecuaciones y curvas de patronamiento de orificios.

Laboratorio N°3 Página 1


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4. FUNDAMENTO TEORICO

El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a través de una tubería. El orificio en el caso de un recipiente, puede hacerse en la pared o en el fondo. Es una abertura generalmente redonda, a través de la cual fluye líquido 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 están constituidas por piezas tubulares adaptadas a los orificios y se emplean para dirigir el chorro líquido. En las boquillas el espesor de la pared e debe ser mayor entre 2 y 3 veces el diámetro d del orificio.

IMAGEN 1: Diferencias entre orificio y boquilla

4.1.CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS

4.1.1. SEGÚN EL ANCHO DE LA PARED

ORIFICIOS DE PARED DELGADAEs un orificio de pared delgada si el único contacto entre el líquido 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 diámetro (e < d) no se requiere biselar.

IMAGEN 2: paredes en los orificios



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ORIFICIOS DE PARED GRUESALa pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y 1.5d < e < 2d. Se presenta adherencia del chorro líquido a la pared del orificio.

IMAGEN 3: Pared en un orificio grueso

4.1.2. SEGÚN LA FORMA Orificios circulares Orificios rectangulares Orificios cuadrados

IMAGEN 4: Diferentes formas de los orificios

4.1.3. SEGÚN SUS DIMENSIONES RELATIVAS Según Azevedo, N y Acosta, A. Netto los orificios se pueden clasificar según sus dimensiones relativas así:

Orificios pequeños Si d<~~H Orificios grandes Si d>~~H

d: diámetro del orificio. H: profundidad del agua hasta el centro del orificio.



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4.1.4. SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO Orificios con descarga libre. En este caso el chorro fluye libremente en la atmósfera siguiendo una trayectoria parabólica.

IMAGEN 5: Orificio de carga libre

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 la carga ∆h es entre la lámina de flujo antes y después del orificio.

IMAGEN 6: Orificio con descarga ahogada

4.2.CLASIFICACIÓN DE LAS BOQUILLASCilíndricas: también denominadas boquillas patrón y de comportamiento similar al de un orificio de pared gruesa. Aquellas, a su vez, están divididas en interiores y exteriores. En las boquillas interiores (o de Borda) la contracción 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. Para el caso de boquillas cilíndricas externas con la vena adherida a las paredes se tiene un coeficiente de descarga de 0.82.

Cónicas: con estas boquillas se aumenta el caudal, ya que experimentalmente se verifica que en las boquillas convergentes la descarga es máxima para q = 13 30´, lo que da como resultado un coeficiente de descarga de 0.94 (notablemente mayor al de las boquillas cilíndricas). Las boquillas divergentes con la pequeña sección inicial convergente se denominan Vénturi, puesto que fueron estudiadas por este investigador, que demostró experimentalmente que un ángulo de divergencia de 5 grados y e = 9d permite los más altos coeficientes de descarga.



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IMAGEN 7: Tipos de boquillas

4.3.CÁLCULOS DE LAS FORMULAS

4.3.1. CALCULO DE LA VELOCIDAD TEORICA Vt:

IMAGEN 8: Partes de un orificio

Aplicando la ecuación de la energía entre los puntos 1 y 2 para un caso en el que no existe perdida de carga se tiene:

P1γ

+V 1

2

2 g+Z1=

P2γ

+V 2

2

2g+Z2

De las condiciones del problema tenemos: P1=0 V 1=0 P2=0

Entonces

Z1−Z2=H=V 2

2

2gV 2=√2 gH… (1)

4.3.2. CALCULO DE LA VELOCIDAD REAL (VR)De las formulas físicas de caída libre tenemos

V horizontal=V R=Xt


XY


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Y=12∗g∗t 2

Entonces

V R=X

√ 2Yg …(2)

Para obtener la velocidad real tomamos dos puntos (x1, y1) y (x2, y2) obteniendo dos valores de velocidad real, tomamos una velocidad real promedio.

4.3.3. CALCULO DEL COEFICIENTE DE DESCARGA (Cd)El Cd se define como la relación entre el caudal real y el caudal teórico

Cd=QrealQteorico

=Achorro∗V realA0∗√2 gH

=Dchorro

2∗V real

D 02∗√2gH

… (3)

Q: caudal V real : Velocidad real Achorro: Área del chorro o real A0: Área del orificio o dispositivo Dchorro: Diámetro del chorro o real D0: Diámetro del orificio o dispositivo H: Carga hidráulica

Este coeficiente Cd no es constante, varía según el dispositivo y el Número de Reynolds, haciéndose constante para flujo turbulento (Re>105). También es función del coeficiente de velocidad Cv y el coeficiente de contracción Cc.

4.3.4. COEFICIENTE DE VELOCIDAD (Cv):Relación entre la velocidad media real y la teórica.

C v=V RV T

=

X

√ 2Yg√2gH

= X2∗√Y∗H

… (4)

4.3.5. COEFICIENTE DE CONTACCIÓN (Cc):Es la relación entre el área real del chorro y el área nominal del orificio.

C c=AchorroA0

=D chorro

2

D02 …(5)

4.3.6. RELACIÓN ENTRE Cd, Cv Y Cc:Cd=C c∗CV…(6)

4.3.7. CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CARGA (hL)

P1γ

+V 1

2

2 g+Z1=

P2γ

+V 2

2

2g+Z2+hL



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Z1−Z2=H=V R

2

2g+hL

hL=H−V R

2

2 g…(7)

Del coeficiente de velocidad tenemos:

C v=V RV T

Entonces

V R=C v∗V T=C v∗√2 gH…(8)

Pero para el caso ideal en la que no existe perdida de carga tenemos

H=V T

2

2 g=

1

C v2∗V R

2

2g…(9)

Entonces tenemos reemplazando (9) en (7):

hL=

1

C v2∗V R

2

2 g−V R

2

2 g

hL=V R

2

2g∗( 1C v

2−1)

Por lo tanto el coeficiente de pérdida por el orifico será:

K= 1

C v2−1

4.4.DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO:

La instalación consiste en un depósito de forma rectangular; en el cuál ingresa el agua por un tubo mediante una bomba. El tubo acaba dentro del depósito con ranuras laterales, cuyo fin es tranquilizar el ingreso del agua al depósito. En la pared anterior del depósito 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 depósito 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 depósito 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 desagüe.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 depósito 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 desagüe.



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.IMAGEN 9: Corte posterior del depósito

Instrumentación:El nivel del agua en el depósito se mide en un recipiente provisto de un limnímetro de punta doble. Este recipiente está conectado con el depósito por medio de una manguera que hace un vaso comunicante. El limnímetro de punta doble está calibrado para medir el nivel en el depósito respecto al eje del orificio o boquilla.Para medir la descarga hay un canal que recoge las aguas vertidas a través de la boquilla u orificio, el cual acaba en un vertedero de pared delgada de sección triangular. Para medir la descarga basta con medir la carga sobre el vertedero en un limnímetro 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 será un vernier para medir las dimensiones de la boquilla.

5. PARTE EXPERIMENTAL5.1.PROCEDIMIENTO

Familiarizarse en forma teórica y práctica como instalación del ensayo Medir las dimensiones de la boquilla, diámetro interno y longitud utilizando el vernier. Llenar el depósito con agua. Establecer un nivel y carga H constante en el depósito manipulando la compuerta

batiente. Realizar las siguientes mediciones simultáneas

La carga H en el limnímetro de punta doble El caudal QR utilizando el vertedero triangular 2 Coordenadas de la trayectoria del chorro de agua.

Repetir 5 veces.

5.2.MATERIALES



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Figura 1

En la figura 1 observamos una vista general del dispositivo o equipo utilizado en el laboratorio de orificios y boquillas.

Figura 2

En esta figura observamos el orificio del tanque por donde mediremos el diámetro del orificio como también el diámetro comprimido del agua que sale por el orificio.



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Figura 3

En esta grafica vemos el vertedero en el cual mediremos su altura con el uso de un vernier vertical el cual nos indicara la altura del agua en la que se encuentra.

Figura 4

Aquí vemos la válvula que llena el tanque una determinada altura y regula el caudal del agua.



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Figura 5

Limnimetro que nos mide las alturas tanto del vertedero como de tanque.

Figura 6

Tabla de plástico con divisiones al centímetro para medir las coordenadas del choro de agua tanto horizontal como vertical.



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Figura 7

Gancho de ayuda para medir los diámetros del orificio, boquilla y líquido comprimido.

Figura 8

Vernier utilizado para medir los diámetros del orificio, boquilla y líquido comprimido.



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Figura 9

Boquilla utilizada para la segunda parte del laboratorio, usaron el destornillador para poder colocar la boquilla.

Figura 10

Una cama de mallas de acero que permiten que el chorro de agua no desgaste y dañe la superficie de concreto.



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5.3.DATOS EXPERIMENTALES

Medición

H(cm) D (cm)contraído

h vertedero (mm)

h menor

Q menor

h mayor

Q mayor

1 70.55 2.745 117.5 117 1.38 118 1.62

2 61.82 2.650 113.9 113 1.43 114 1.48

3 51.22 2.615 109.1 109 1.33 110 1.36

4 41.37 2.500 104.8 104 1.18 105 1.21

5 31.34 2.470 99.05 99 1.04 100 1.07

TABLA 1: medición Carga, caudal y diámetro contraído

Medición Parábola(Y)

X=30 X=35 X=40 X=45 X=50

1 5 7 8 10 13

2 5 7 9 12 14

3 6.5 8 10.5 13 16

4 7.5 10 12.5 16 18.5

5 9 12.5 15 19 23

TABLA 2: Coordenadas de la trayectoria del chorro

Diámetro orificio (cm) 2.975


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