Universidad de OrienteNúcleo de Anzoátegui

Escuela de Ingeniería y Ciencias AplicadasDepartamento de Ingeniería Civil

Laboratorio de Hidráulica

DESCARGA POR ORIFICIOS

Profesor: Bachilleres:Bou Ghannam Mounir Brigitte Pillkahn C.I: 19.717.349 Manuel Ferrer C.I: 19.584.147Preparador: Lilireth Jiménez C.I: 20.376.255Alvaro Cifuentes Grupo: 04 Sección: 01

Barcelona, Enero de 2011ÍNDICE

Contenido Pág.

Objetivo General……………………………………………………………….……3

Teoría…………………………………..……………………………………….…..4-6

Materiales y equipos utilizados………………………………………………………7

Procedimiento………………………………………………………………………..8

Resultados……………………………………………………………………………9

Gráficos………………………………………………………………………….......11

Conclusiones y Recomendaciones……………………………………………..…….13

Apéndice…………………………………………………………………………...14-22

Bibliografía…………………………………………………………………………...23

2

OBJETIVO GENERAL

Determinar el gasto a través de un orificio de pared delgada para diferentes alturas de carga.

3

ORIFICIO

Los orificios son perforaciones, generalmente de forma geométrica y perímetro

cerrado, hechos por debajo de la superficie libre del líquido, en las paredes de los depósitos,

tanques, canales o tuberías.

El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a través de

una tubería. En el caso de un recipiente, puede hacerse en la pared o en el fondo.

FLUJO POR UN ORIFICIO EN LA PARED DE UN TANQUE

Debido a la presión interior, por el orificio se producirá una descarga de agua, tanto

mayor cuanto mayor sea el tamaño del orificio, en la dirección perpendicular a la pared.

Lógicamente el fluido sale a través de toda la sección del orificio, pero en realidad

la dirección de la velocidad en cada posición es distinta. En efecto, la forma de las líneas de

corriente por el interior del tanque hace que en la sección del orificio el vector velocidad

tenga en cada punto una componente radial hacia el eje. El conjunto de estas componentes

hacen que la sección del chorro se reduzca en cierta medida tras pasar el orificio, hasta que

las componentes radiales se contrarrestan entre sí. La zona del chorro en la que la sección

es mínima se designa como vena contracta. El efecto de vena contracta es tanto más

acusado cuantos más vivos sean los bordes del orificio por el interior del tanque, pues más

dificultad tiene entonces las líneas de corriente para adaptarse a la geometría.

CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS

Según el ancho de la pared:

Orificios de pared gruesa

La pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y el espesor se encuentra

entre 1,5 y 2 veces el diámetro (1.5d < e < 2d). Se presenta adherencia del chorro líquido a

la pared del orificio.

4

En este caso, el coeficiente de velocidad CV es también un coeficiente de gasto. La

fórmula para obtener el gasto en orificios practicados en pared gruesa, en donde se ha

eliminado la contracción del chorro al salir. Cuando el orificio es practicado en pared

gruesa, el coeficiente de gasto tiene un valor medio de 0,98 de lo cual resulta un gasto

aproximadamente 40% mayor que en los orificios de pared delgada.

Orificios de pared delgada

Es un orificio de pared delgada si el único contacto entre el líquido y la pared es

alrededor de una arista afilada y el espesor e < 1.5d, como se observa en la figura. Cuando

el espesor de la pared es menor que el diámetro (e < d) no se requiere biselar.

Si la pared es considerada delgada, el chorro del líquido apenas toca la perforación en

una línea que constituye el perímetro del orificio. Los orificios en paredes delgadas son

construidos en placa fina o por corte en bisel.

Los orificios de pared delgada se caracterizan por la contracción; mientras que los

orificios de pared gruesa se caracterizan por la pérdida de carga en la entrada por fricción y

contracción final.

Según la forma

Orificios circulares.

Orificios rectangulares.

Orificios cuadrados.

5

Según su funcionamiento

Orificios con descarga libre

En este caso el chorro fluye libremente en la atmósfera siguiendo una trayectoria

parabólica.

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 que la carga h es entre la lámina de flujo

antes y después del orificio.

Según sus dimensiones relativas

Azevedo, N y Acosta, A. Netto postulan que los orificios se pueden clasificar según sus

dimensiones relativas en:

Orificios pequeños

Orificios grandes

Según su contracción

Orificio Con Contracción Parcial

Este tipo de orificios se presenta cuando el orificio está en contacto con el fondo o una

parte lateral suprime la curvatura de las líneas de corriente que se encuentran de ese lado.

Orificio Con Contracción Incompleta

Cuando la contracción de las líneas de corriente pueden hacerse menos pronunciadas

mediante disposiciones.

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MATERIALES Y EQUIPOS

EQUIPOS

Tanque de alimentación

Electrobomba centrífuga

Tanque de descarga

Cronómetro

Cinta Métrica.

Marca Stanley.

Apreciación 0,1 cm.

Capacidad 3 Metros.

Válvulas

MATERIALES

Jarra plástica

Cilindro graduado

Regla graduada de 30cm.

Apreciación 1mm.

Regla graduada de 60cm.

Apreciación 1mm.

Tubería

Agua

Manguera

.7

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Se lleno el tanque con agua hasta una altura deseada.

2. Se midió la altura de agua con la regla que contiene el tanque de alimentación.

3. Se comenzó a regula la salida de agua, para luego medir la longitud horizontal del

corro de descarga, esta medición se realizo con una escuadra.

4. Se midió con la cinta métrica la altura que existía desde la superficie del agua que se

encontraba en el tanque de alimentación hasta el centro del orificio de descarga.

5. Luego se realizo el aforo, colocando una jarra en el chorro y al mismo tiempo

activando el cronometro, después se quitaba la jarra y en ese mismo instante se desactivaba

el cronometro.

6. Se calculo el volumen de agua obtenida en la jarra a través cilindro graduado.

7. Todos los pasos anteriores se realizaron 4 veces.

8. Después de haber realizados todo lo anterior se procedió a descargar el agua,

conjuntamente se activo el cronómetro desde el inicio de la descarga de hasta llegar al

centro del orificio, cada vez que el agua iba llegando a unas alturas anteriormente

establecidas se fue leyendo el tiempo.

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RESULTADOS

1.- Caudal de aforo y caudal calculado

Ensayo Qaforo (L/s) Qcal (L/s) Qreal (L/s)

1 0.45 0.437 0.444

2 0.79 0.509 0.649

3 0.66 0.544 0.602

4 0.60 0.592 0.596

2.- Velocidad real

Ensayo Vreal (m/s)

1 2.032

2 2.375

3 2.539

4 2.768

3.- Longitud del chorro

Ensayo X (m) Xmed (m) Lreal (m) Y (m) Ymed 9m)

1 0.625 0.71 0.67 0.62 0.596

2 0.74 0.853 0.79 0.65 0.633

3 0.81 0.926 0.87 0.69 0.653

4 0.855 1.033 0.94 0.71 0.683

9

4.- Coeficiente de descarga

Ensayo Cd

1 0.673

2 1.011

3 0.790

4 0.659

5.- Tiempo total de vaciado

Ensayo Tcal (seg)

1 25.47

2 34.19

3 32.68

4 37.14

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GRÁFICOS

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CONCLUSIÓN

Se pudo observar una diferencia en varios de los caudales, éste error puede estar debido

al volumen tomado en cada espacio de tiempo, tomando en cuenta las diferentes alturas

correspondientes al nivel del agua.

También se observa cierta diferencia en los coeficientes de descarga, debido a que el

coeficiente calculado está relacionado con con el caudal de aforo donde el mismo puede

tener un error en el volumen de agua tomado.

Al realizar los cálculos correspondientes para obtener la longitud del chorro de agua, se

observó que las coordenadas horizontales y verticales guardaban relación entre si, lo que

quiere decir que se cumplió en cierto modo con el objetivo, es decir, se pudo demostrar

teórica y experimentalmente.

RECOMENDACIONES:

Realizar un buen manejo de los instrumentos del laboratorio, para así obtener

resultados eficaces luego de realizado el experimento.

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APÉNDICE

ECUACIONES EMPLEADAS

Qaforo=Vol / t

Cd=Cv∗Cc

Qcal=Cd∗Ao∗√2gh

Cd (corregido)=Qmed / Ao∗√ 2 gh

Vreal=√2 gh∗Cv

Lcal=X=Vreal/√ g/2 y

tcal=(2 A /Cd∗Ao∗√ 2 g)∗(√ h−√ h 1)

Qreal=Qaforo+Qcal /2

Lreal=Lmed+Lcal /2

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NOMENCLATURA

Qaforo: Caudal de aforo (m3/seg ).

Qcal: Caudal calculado (m3/seg ).

Qreal: Caudal real (m3/seg ).

Lmed: Longitud medid (m).

Lcal: Longitud calculada (m).

Lreal: Longitud real (m).

Cd: Coeficiente de descarga (adimensional).

Cv: coeficiente de velocidad (adimensional.

Cc: coeficiente de contracción (m).

Vreal: Volúmen real (m3).

A: Área del orificio (m2).

Ao: Área del orificio (m2).

V: Volúmen (m3).

T: Tiempo (seg).

H= Altura a partir del centro del orificio (m).

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EJEMPLOS DE CÁCULOS

Caudal de aforo

Para el ensayo 1:

Qaforo (1) = 0.198 L / 0.44 seg, entonces Qaforo (1) = 0.45 L/seg

Caudal calculado

Para ensayo 1:

Qcal (1) = 0.6531 * 3.142x10^(-4) * √2∗9.81∗0.231 * 1000

Qcal (1) = 0,437 L/seg

Velocidad real

Para ensayo 1:

Vreal (1) = √2∗9.81∗0.231 * 0.9543

Vreal (1) = 2.032 m/seg

Coordenada en X

Para ensayo 1:

Lcal (1) = 2.032 / √ (9.8 /2∗0.596)

Lcal (1) = 0.71 m

Coeficiente de descarga

Para ensayo 1:

Cd (1) = 4.5x10^(-4) / 3.142x10^(-4) *√2∗9.81∗0.231

Cd (1) = 0.673

Tiempo de vaciado

Para ensayo 1:

Tcal (1) = ( 2 * 0.256 / 0.6531 * 3.142x10^(-4) * √2∗9.81 ) * (√0.427 – √0.37¿

Tcal (1) = 25,45 seg

ASIGNACIONES

1.- Caudal que pasa por el orificio y comparación con el caudal de aforo

Caudal calculado:

Ensayo H (cm) Cd

1 23.1 0.6531

2 31.5 0.6521

3 36 0.6515

4 42.7 0.6506

NOTA: Los Cd y Cv se obtuvieron a través de interpolación en las tablas 1.5 y 1.6

de J.M. De Azevedo.

Caudal de aforo:

Ensayo Vol (ml) T (seg)

1 198 0.44

2 244 0.31

3 242.5 0.37

4 172.5 0.29

2.- Velocidad real del chorro para diferentes alturas

Ensayo H (cm) Cv

1 23.1 0.9543

2 31.5 0.9552

3 36 0.9556

4 42.7 0.9563

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3.- Longitud del chorro

Coordenada en Y

NOTA: Las diferentes alturas mostradas anteriormente se obtienen conociendo el

volumen del tanque de alimentación y el volumen del tanque de descarga, para así

determinar el valor de “y”.

Coordenada en X

Ensayo Altura

1 0.304

2 0.267

3 0.247

4 0.217

Ensayo Vreal (m/s) Y (m)

1 2.032 0.596

2 2.375 0.633

3 2.539 0.653

4 2.768 0.683

4.- Coeficiente de descarga

Ensayo Q aforo (m3/s) H (m)

1 0.00045 0.231

2 0.00079 0.315

3 0.00066 0.36

4 0.00060 0.427

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5.- Tiempo total de vaciado

Ensayo Cd H (m) H1 (m)

1 0.6531 0.427 0.37

2 0.6521 0.37 0.30

3 0.6515 0.30 0.24

4 0.6506 0.24 0.18

6.- Definiciones

TIPOS DE ORIFICIOS

En función del grueso de la pared pueden ser:

De pared delgada: Si el contacto de la vena líquida con la pared tiene lugar en una línea EL grosor de pared es menor que 4 ó 5 centímetros.

De pared gruesa : Si el contacto es en una superficie.

Según el tamaño relativo de la carga:

Pequeños orificios, carga h relativamente grande con respecto a la dimensión vertical del orificio

Grandes orificios, en caso contrario.

Según su funcionamiento hidráulico:

Orificios con desagüe libre, desaguan al aire libre. Orificios sumergidos, desaguan bajo el nivel estático o casi estático de un segundo

depósito .es decir, cuando el nivel del líquido en el canal de salida o recipiente inferior está por arriba de la arista o borde superior del orificio.

Orificios parcialmente sumergidos seguidos de canal, el desagüe no es totalmente libre por estar seguidos de un canal en funcionamiento.

Orificios sin velocidad inicial Orificios con velocidad inicial, las dimensiones del depósito, canal o embalse donde

se halla el orificio son relativamente pequeñas y el agua circula con una velocidad digna de consideración.

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Según el tipo de contracción:

Orificios de contracción completa, los filetes líquidos que ocupan la periferia del orificio provienen de las zonas próximas a las paredes interiores

Orificios con contracción incompleta, se hacen coincidir uno o más lados del orificio con las paredes laterales y desaparece la contracción en ése o esos lados

Orificios con contracción imperfecta, el orificio está cerca pero no coincide con la pared.

Orificios sin contracción, los filetes se adaptan a la curvatura del orificio, como son los orificios en los que no hay aristas.

7.- Gráficas:a) Qreal vs Altura (H)

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Gráfica (Caudal real vs H)

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b) Lreal vs Altura (H)

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Gráfica (Longitud real vs H)

c) Tiempo de vaciado vs Altura (H)

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Gráfica ( Tiempo vs H)

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BIBLIOGRAFÍA

BOU GHANNAM, M. 2007. “Laboratorio de Hidráulica”. Universidad de Oriente. Venezuela.

STREETER, V. 1999, “Mecánica de Fluidos”. Novena edición Colombia.

MOTT, Robert 1996. Mecánica de los Fluidos. Cuarta Edición.

CHOW, V 1994. Hidráulica de canales Abiertos. Primera edición. Editorial McGraw, Interamericana S.A Colombia.

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