Ing. Oscar Ricaldi Torrez

INFORME Nº 5

CALIBRACION DE SIFONES

1. Objetivos o Conocer el funcionamiento del sifón como estructura de control del agua de

riegoo Obtener los datos experimentales para determinar la curva de calibración

(relación entre el caudal y la carga).o Comparar los resultados con los que se reportan en la literatura.

2. Fundamento Teórico

2.1. Sifón

Un sifón está formado por un tubo, en forma aproximada de "U" invertida, con uno de sus extremos sumergidos en un líquido, que asciende por el tubo a mayor altura que su superficie, desaguando por el otro extremo. Para que el sifón funcione debe estar lleno de líquido, ya que el peso del líquido en la rama del desagüe es la fuerza que eleva el fluido en la otra rama.

El sifón ya era conocido por los romanos que lo utilizaban en sus acueductos. Los sifones son una aplicación basada en el principio de diferencia de presiones dado por la energía de posición.

2.2. Aplicaciones

En instalaciones hidráulicas en edificios

La aplicación más común de los sifones es en los desagües de los aparatos sanitarios (fregaderos, lavabos, inodoros, etc.), para evitar que el mal olor de las materias en putrefacción del alcantarillado salga por el orificio de desagüe de los aparatos.

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El modelo más clásico (y el que mejor funciona hidráulicamente) consiste en un tubo en forma de "S" tumbada, de manera que, al desaguar, se llena la primera curva del tubo y la segunda actúa como un sifón, vaciando la primera hasta que el nivel de agua baja y entra algo de aire. En este momento, el sifón deja de funcionar y retrocede el agua que está en la parte ascendente entre las dos eses, llenando la primera curva del tubo y aislando el desagüe de los gases de la cañería.

También se pueden llevar todos los desagües a un sifón común, llamado "bote sifónico".

En aparatos electrodomésticos

La toma de lejía y suavizante de las lavadoras suele ser un sifón. El suavizante está en su cubeta y no alcanza la parte superior del sifón, pero cuando se abre la válvula de entrada de agua, el nivel sube, comenzando el sifonamiento, que no se interrumpe hasta haber vaciado el depósito de suavizante.

El sifón es la parte de la tubería de desagüe de los lavabos y fregaderos que se obstruye con más facilidad.

Como descargador de seguridad en canales

Aprovechando las características hidráulicas de los sifones, estos son más eficientes que los vertederos libres para descargar el agua que, por alguna maniobra equivocada aguas arriba, podría desbordarse de un canal provocando cuantiosos daños a las estructuras, por ejemplo, de canales de riego.

Para atravesar depresiones en el terreno

En esta aplicación en realidad se utiliza lo que comúnmente se llama sifón invertido. Si un canal se encuentra a su paso con una depresión del terreno natural que obligaría a construir un terraplén muy elevado o un puente, muy frecuentemente es más

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conveniente interrumpir el canal con un tubo en forma de "U", atravesando así la depresión y retomando luego el canal cuando el terreno vuelve a tener una cota adecuada. En este caso el funcionamiento hidráulico se basa simplemente en el "principio de los vasos comunicantes". El problema más importante es que en la parte inferior del sifón puede haber una presión hidráulica elevada, lo que requiere tuberías reforzadas, capaces de resistirla. A menudo es más barato hacer el puente (como hacían los romanos en los acueductos).

Para alimentar surcos de riego

Es un sistema bastante utilizado puesto que permite retirar el agua desde el canal terciario de riego sin dañar el canal mismo, que generalmente es de tierra. Generalmente estos sifones son de polipropileno (PP) flexible, de un diámetro de entre 50 y 80 mm (2" y 3")

El gasto que entrega el sifón es directamente proporcional a su diámetro y a la raíz cuadrada de la diferencia de nivel (H) entre el agua del canal abastecedor y el centro del sifón a la salida si la descarga es libre, o de la elevación de la superficie del agua si la descarga es ahogada.

Normalmente el coeficiente de gasto o descarga tiene su valor adimensional de 0,6. Sus valores experimentales dependen del diámetro de la tubería.

2.3. Identificación de variables

Si se considera al sifón como una tubería de tamaño intermedio, las pérdidas localizadas y las pérdidas por fricción, aplicando Bernoulli y agrupando algunos términos tenemos:

H=K tV B2+V C

2

2 g

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Dónde:H= carga cobre el sifónVB = velocidad del agua en el sifón.VC = velocidad del agua a la salida del sifón.

El coeficiente Kt es igual a:

Dónde:Kent= Coeficiente de pérdidas a la entrada.Kcd= coeficiente de pérdidas en los cambios de dirección.f= factor de ficción de Wisbach-Darcy.L= longitud del sifón.D= diámetro del sifón.

Aplicando la ecuación de continuidad entre los puntos B (entrada) y C (salida) hallamos la velocidad en C, reemplazando este valor en la ecuación 1 y despejando Vb y multiplicamos este valor por el área de la salida tenemos el caudal de salida.

Considerando que el área de entrada es igual que el área de salida, es decir que el diámetro en el sifón se mantiene constante tenemos:

Dónde:Q= gasto del sifón.C= coeficiente de gasto [adimensional]. (0,6)g= aceleración de la gravedad.H= carga del sifón.A= área de la sección transversal del sifón.

Pero es necesario determinar un parámetro que nos permita relacionar directamente el caudal con la carga, puesto que es una de las maneras de controlar el caudal en los sifones de riego, tenemos:

H=K ent+3KCD+ fLD

Q=CA √2gH

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Q = K · hn

Mediante esta relación y conociendo los valores de Q y H, se puede determinar los valores de k y n mediante una regresión lineal simple. Para alinear la expresión, se debe aplicar logaritmo a la ecuación 4, resultando:

Log Q = log K + n log H

Para hacer funcionar el sifón es necesario cebarlo, introduciendo el sifón en el agua, de manera que este se llene y luego tapando el extremo que irá al surco se lo saca del agua, manteniendo el otro extremo sumergido, se instala en la posición requerida y se lo destapa. De esta manera debido a la diferencia de presiones, se logra que circule el agua por el sifón en forma continua.

Para determinar el coeficiente de gasto, se puede utilizar la expresión:

Dónde:C=Coeficiente de gasto adimensional.Co=Coeficiente por entrada, adimensional (aproximadamente 0,83)D=Diámetro interior del sifón, en m.n=Coeficiente de rugosidad de Manning, adimensional:n=0,008 (aluminio y polietileno).L=Largo del sifón, en m.

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3. Equipos y materiales utilizados

Tanque de agua Agua

Flexómetro Jarra

Cronometro Termometro

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Recipiente de aforo Sifon

4. Procedimiento de la practicao Para comenzar con la práctica se tomo la medida de la altura a la cual se encontraba

el tanque de agua, para posteriormente medir las alturas de carga a la que sería sometido el sifón.

o Se ahogó completamente el sifón en el tanque de agua para que no exista aire en su interior, se tapo un extremo haciendo presión con la palma de la mano para poner en funcionamiento el sifón para la primera carga de altura.

o Se procedió a dejar de hacer presión en el extremo del sifón, de forma que circule agua por este, hasta el recipiente de aforo.

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o Se tomo la medida de tiempos para diferentes alturas a medida que el tanque de aforo se llenaba.

o Dicho procedimiento se realizo para cada una de las alturas de carga a la cual el sifón sería sometido.

o Para finalizar se tomó la medida del diámetro de la tubería, al igual que su longitud y la temperatura del agua que se trabajó en la práctica.

5. Datos y observaciones

Material PVCDiámetro interior D: 19.05 mmLongitud L: 1.90 mAceleración de la gravedad g: 9.81 m/s2

Temperatura del agua T: 21 ºCAncho del tanque de aforo a: 0.39 mLargo del tanque de aforo b: 0.48 m

Carga de altura 1 H1 0.12 mCarga de altura 2 H2 0.25 mCarga de altura 3 H3 0.34 m

Altura de agua de aforo h 0.02 m

Nº Tiempos para carga 1 (seg.)

Tiempos para carga 2 (seg.)

Tiempos para carga 3 (seg.)

1 17.9 12.7 9.62 17.9 11.3 8.73 17.3 18.4** 10.04 17.85 11.7 9.365 17.91 10.87 9.08

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6 16.18 11.98 10.1**Tiempo descartado debido a que se aleja demasiado de los valores restantes

Promedio de Tiempost: 17.51 seg. 11.71 seg. 9.47 seg.

6. Cálculos y Resultados

Areade tanque de aforo→A=a .b= (0.39m)(0.48m)

A=0.1872m2

V olumende aforo→Vol=A .h= (0.1872m2 )(0.02m)

Vol=0.003744m3

Areade l orificiodel sifon→ As=π4D 2=

π (0.01905m)2

4

A s=0.000285m2

Calculo del gast o:

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Q1=Volt 1

=0.003744m3

17.51 seg→Q1=0.000214

m3

seg

Q2=Volt 2

=0.003744m3

11.71 seg→Q1=0. 000320

m3

seg

Q1=Volt 3

=0.003744m3

9.47 seg→Q1=0.000395

m3

seg

Calculo del coefic ientede gasto empiricoC

Q=C A s√2gH→C= QA √2 gH

C 1=Q 1

A √2gH=

0.000214 m3

seg

0. 000285√2(9.81 mseg2 )(0.12m)

→C 1=0. 4894

C1=Q 1

A √2gH=

0.000320 m3

seg

0. 000285√2(9.81 mseg2 )(0.25m)

→C2=0.5070

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C1=Q 1

A √2gH=

0.000395 m3

seg

0. 000285m2√2(9.81 mseg2 )(0.34m)

→C3=0.5366

Determinación del coeficiente de gasto C (Teórico)

C=0.5372√ D4 /3

16.679n2C02L+0.2886D4 /3

C=0.5372√ (1.905)4 /3

16.679 (0.008 )2(0.83)2(1.90)+0.2886(1.905)4 /3→C=0.9989

Gráfica Caudal vs Carga del sifón

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

0.00045

0,12; 0,000214

0,25; 0,00032

0,34; 0,000395f(x) = 0.000729731856248578 x^0.581163588205941

Q vs H

Carga del sifon - H (m)

Caud

al -

Q (m

3/s)

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Gráfica Coeficiente de gasto vs Carga del sifón

Tabla de resultados

Experimentales TeóricosH (m) Q (m3/s) C H (m) Q (m3/s) C0.12 0.000214 0.4894 0.12 0.000213 0.99890.25 0.000320 0.5070 0.25 0.000326 0.99890.34 0.000395 0.5366 0.34 0.000390 0.9989

7. Análisis de resultados

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40.4

0.420.440.460.48

0.50.520.540.560.58

0.6

0,12; 0,48940,25; 0,507

0,34; 0,5366f(x) = 0.577991828495661 x^0.0810698587878998

C vs H

Carga del sifón - H (m)

Coefi

cient

e de

Gas

to -

C (a

dim

ensio

nal)

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o Observando las dos tablas presentadas anteriormente se puede observar que los caudales teóricos y experimentales encontrados son muy próximos, lo que nos da mayor confiablidad en los resultados

o Por otro lado, analizando el Coeficiente de gasto “C” experimentalmente como teóricamente, se aprecia que se encuentran un tanto alejados, ya que para el valor del coeficiente de gasto teórico solo depende del diámetro de la tubería y la longitud de esta.

o Analizando las graficas se observa de igual forma que mientras aumenta la carga, el caudal y el coeficiente de gasto experimental igualmente aumentan.

8. Conclusioneso Al observar las graficas se puede concluir que el caudal (Q) se comporta

directamente proporcional a la carga (H) en el caso de los sifones.

o De igual manera se pudo comprobar que el valor del coeficiente de gasto o de descarga, realizado en los cálculos de nuestra práctica no sobrepasó el límite de 0,6.

o Podemos ver que la calibración de los sifones es muy práctica y útil, puesto que teniendo la calibración de un sifón, se simplifica de gran forma el cálculo de los caudales, asimismo con un caudal requerido, se podrá calcularlo mediante curvas de relaciones matemáticas con líneas de tendencia en diferentes funciones.

o A la culminación de la práctica podemos decir que se cumplieron con todos los objetivos trazados para la misma, entendiendo el mecanismo de funcionamiento de sifones y su gran utilidad para ser aplicado en los sistemas de riego.

Ing. Oscar Ricaldi Torrez

9. Bibliografía

Guía de Laboratorio de Hidráulica I (Ing. Civil U.A.J.M.S.) Referencia de Fórmulas: Mecánica de Fluidos. Robert L. Mott, 6ed. Mecánica de los Fluidos e Hidráulica (SCHAUM MACGRAWHIL) Presentaciones de PowerPoint de internet (UNIVERSIDAD UNIVALLE- CBBA) http://www.corimex.com/corimex/sites/default/files/files/7Mec%C3%A1nica

%20de%20Fluidos.pdf