UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

DEPARTAMENTO DE ACADMICO DE HIDRULICA E HIDROLOGA

LABORATORIO N3ORIFICIOS Y BOQUILLAS

1. OBJETIVOSConocer 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.2. GENERALIDADESEl 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 2.1. CLASIFICACIN DE LOS ORIFICIOS2.1.1. 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 Figura III.2. Cuando el espesor de la pared es menor que el dimetro (e < d) no se requiere biselar.

Orificios de pared gruesaLa 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.

2.1.2. Segn la forma Orificios circulares. Orificios rectangulares. Orificios cuadrados.

2.1.3. Segn sus dimensiones relativasSegn Azevedo, N y Acosta, A. Netto los orificios se pueden clasificar segn sus dimensiones relativas as: Orificios pequeosSi d~~Hd:dimetro del orificio.H: profundidad del agua hasta el centro del orificio.2.1.4. 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.

2.2. CLASIFICACIN DE LAS BOQUILLAS2.2.1. 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.1.2.2.2. 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.

2.3. FORMULAS PARA ORIFICIOSEl 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.

2.4. 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:

2.5. 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:caudal

VR:velocidad real

Ach:rea del chorro o real

Vt:velocidad terica

A0:rea del orificio o dispositivo

H:carga hidrulicaEste 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.

2.6. CLCULO DEL CAUDAL DE UN ORIFICIOPara 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.

2.7. DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD CvSi 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.2.8. 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:

3. 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.

4. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO: Familiarizarse en forma terica y prctica como instalacin del ensayo Medir las dimensiones de la boquilla, dimetro interno y longitud utilizando el vernier. Llenar el depsito con agua. Establecer un nivel y carga H constante en el depsito manipulando la compuerta batiente. 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. Repetir5. CUESTIONARIO:a. Explique a que se debe la formacin de la contraccin de un chorro.Los filetes de la vena liquida son convergentes hasta una seccin Q situada a una cierta distancia de la pared, a partir de la cual comienza a circular paralelamente. A esta seccin se la llama seccin contrada. La relacin entre ambas secciones se denomina coeficiente de contraccin (= Q/S) siendo (