Informe Boquilla

8/18/2019 Informe Boquilla

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ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA JULIO GARAVITO

FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA CIVIL

LABORATORIO DE HIDRAULICA DE SISTEMAS A PRESION

PRACTICA N°5

Estudiante

FEDERICO CELIS SANCHEZ - 2097307

Profesor

JAVIER MAURICIO MARTINEZ ARIZA


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TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción …………………………………………………………………………………... 3

2. Objetivos ………………………………………………………………………………………. 3

3. Marco teórico …………………………………………………………………………..…… 4

4. Listado de equipos ……………………………………………………………… 5

5. Esquema del Montaje …………………………………………………………………. 6

6. Procedimiento ………………………………………………………………..…… 7

7. Registro de datos …………………………………………………………………. 8

8. Cálculos ……………………………………………………………………………… 9

9. Conclusiones …………………………………………………………………………………………….. 18

10. Bibliografía …………………………………………………………………………………………….. 19


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INTRODUCCIÓN

Por lo general en los sistemas de tuberías a presión, en los puntos donde se pueden generar

grandes pérdidas localizadas, es necesario hacer un aforo del caudal para el análisis de dichas

perdidas, comúnmente se puede usar un dispositivo que contraiga o estrangule una sección de la

tubería en un punto específico y de esta manera realizar el aforo.

El estrangulamiento por boquilla o diafragma cumple el mismo objetivo que el venturímetro, con

la diferencia de que las pérdidas de energía son mayores, debido fundamentalmente a la ausencia

de la expansión gradual.

OBJETIVOS

Observar y analizar el comportamiento de la línea piezométrica y de la línea de energíacuando se tiene un estrangulamiento puntual de la sección de la tubería por donde circulael caudal.

Determinar el rango de aplicación y el respectivo coeficiente de correlación.

Determinar los valores del coeficiente de velocidad y el coeficiente de descarga.

Determinar y analizar las pérdidas de energía que se producen debido a la boquilla.


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MARCO TEORICO

Una Boquilla es un dispositivo que estrangula una sección de un sistema de tuberías de presión

generando una gran pérdida de energía localizada y se usa como sistema de aforo. Es dispositivocumple la misma función del venturímetro, con la diferencia que las pérdidas de energía son

mayores, debido fundamentalmente a la ausencia de la expansión gradual.

Consiste en una placa donde se practica un orificio de área Ao, la cual se inserta dentro de la

tubería en la sección deseada. La modificación en las velocidades ocasiona un cambio de

presiones, antes y después del diafragma que permiten conocer el caudal circulante.

Las ecuaciones de continuidad y de Bernoulli entre dos secciones, antes y después de la placa son:

V1 = (A2 /A1)*V2

Con sustituciones análogas a las del venturímetro , el gasto teórico es:

Q= CcA2 [2g (( P1-P2)/)]1/2

[( 1 – (A2 /A1)2]1/2

Y con los coeficientes de contracción Cc = A2 /Ao y de abertura CA = Ao /A1, de la ecuación anterior

se obtiene:

Q = CcCvAo [2g (( P1-P2)/)]1/2

(1-Cc2 CA2)1/2

Al incluir al coeficiente de gasto Cd y de medir la diferencia de presiones, en términos de la

deflexión h, en un manómetro de mercurio, el gasto real es finalmente:

Q = CdAo [ 2g h ((hg /agua)-1) ]1/2


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Donde Cc*Cv = Cd

El coeficiente Cd depende no sólo de la geometría del diafragma y de la rugosidad de las paredes,

sino también del número de Reynolds que incluye el efecto de la viscosidad del flujo.

LISTADO DE INSTRUMENTOS A UTILIZAR

PROBETA: precisión de 10 ml

CRONÓMETRO: precisión de 0.01 sg

ESCALA DE LOS PIEZÓMETROS: precisión de 1mm

SISTEMA PARA LABORATORIO DE BOQUILLA


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ESQUEMA DEL MONTAJE

Figura 1. Esquema general del montaje para el estudio de una boquilla VDI. Laboratorio de Hidráulica de la ECI.

Figura 2. Boquilla VDI instala en el laboratorio de hidráulica de la ECI.


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PROCEDIMIENTO

1.

Se hacen circular caudales diferentes, y se mide en cada uno tres volúmenes con laprobeta y sus respectivos tiempos.

a. Dibuja líneas Piezométrica y de Energíab. Calcular Pérdidas debidas a la boquillac. Analizar L.P y L.E

2.

Colocar el manómetro diferencial para hacer la calibración y hacer circular 2 caudalescuyas presiones sean negativas, medir en cada uno 3 volúmenes con la probeta y susrespectivos tiempos.

3.

Para hacer la calibración se toman 15 caudales midiendo sus presiones con el manómetrodiferencial, 3 volúmenes con sus respectivos tiempos para cada caudal.

4.

Determinar Reynolds en la sección 1 y Cd.


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REGISTRO DE DATOS

Tabla 1. Altura de los piezómetros para un caudal circulante específico.

Tabla 2. Caudales medidos para la calibración de la boquilla VDI.

Caudal (cm³/s) 648,855634

h1 (cm) 28,00

h2 (cm) 28

h3 (cm) 28,00

h4 (cm) 28,00

h5 (cm) 28,00

h6 (cm) 28,00

h7 (cm) 28,00

h8 (cm) 28,00

h9 (cm) 28,00

h10 (cm) 28,00

h11 (cm) 2,50

h12 (cm) 2,50

h13 (cm) 2,00

h14 (cm) 4,75

h15 (cm) 7,50

h16 (cm) 8,50h17 (cm) 9,00

h18 (cm) 9,00

h19 (cm) 9,00

Medida Volumen (cm³) Tiempo (s) Δh (cm) Caudal (cm³/s) Δh (cm Hg) Δh (cm H₂O)

45,5 2,3

39,99 1,3

2 18427,5 26,3 2,3 700,6653992 2,3 31,283 11056,5 14,66 3,2 754,1950887 3,2 43,52

4 11056,5 13,06 3,5 846,5926493 3,5 47,6

5 11056,5 13,8 4 801,1956522 4 54,4

6 11056,5 11,89 4,3 929,8990749 4,3 58,48

7 11056,5 13,16 4,4 840,1595745 4,4 59,84

8 11056,5 11,57 4,5 955,6179775 4,5 61,2

9 11056,5 11,8 4,8 936,9915254 4,8 65,28

10 11056,5 10,94 5 1010,648995 5 68

11 11056,5 11,52 5,8 959,765625 5,8 78,88

12 11056,5 11,66 5,3 948,2418525 5,3 72,08

13 11056,5 10,95 5,6 1009,726027 5,6 76,16

14 11056,5 10,56 5,8 1047,017045 5,8 78,88

15 11056,5 9,17 5,6 1205,725191 5,6 76,16

18427,51 431,103053 1,8 24,48


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CÁLCULOS

Para dibujar la línea piezometrica basta con las alturas obtenidas en cada uno de los 19piezómetros. Para la línea de energía es necesario sumar el valor correspondiente a la cabeza de

velocidad, valor que se define como .No se tiene un valor experimental de la velocidad pero con el valor del caudal aforado y sabiendo elárea del tanque se puede despejar dicho valor analíticamente de la expresión de caudal,

Tabla 3. Dimensiones del tanque, necesarias para el cálculo de la velocidad.

Tabla 4. Datos necesarios para graficar la línea de energía.

Tabla 5. Medidas del montaje necesarias para los cálculos.

Ancho (cm) Largo (cm) Área (cm²)

65,00 56,70 3685,50

Dimensiones del tanque

Caudal (cm³/s) 648,8556338

Velocidad antes de la

boquilla (cm/s) 33,99103275 Cabeza de Vel. Antes 0,588883949

Velocidad después de

la boquilla (cm/s) 228,850042

Cabeza de vel.

Después 26,69334442

Velocidad Mucho

después (cm/s) 101,7111298

Cabeza de vel. Mucho

después 5,272759391

Área (cm²)

Diam. Antes de la

boquilla (cm) 4,93 19,09

Diam. Boquilla

(cm) 1,90 2,84

Diam. Desp de la

boquilla (cm) 2,85 6,38


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Tabla 6. Datos para el trazado de las líneas piezometrica y de energía, se trabajó con una viscosidad cinemática del agua a 17°C.

Grafica 1. Trazado de línea piezométrica y de energía.

648,855634

Altura h (cm) L. Piezometrica L. energia

h1 (cm) 28,00 9,75888395

h2 (cm) 28,00 28,59

h3 (cm) 28,00 28,59

h4 (cm) 28,00 28,59

h5 (cm) 28,00 28,59

h6 (cm) 28,00 28,59

h7 (cm) 28,00 28,59

h8 (cm) 28,00 28,59

h9 (cm) 28,00 28,59

h10 (cm) 28,00 28,59

h11 (cm) 2,50 28,59

h12 (cm) 2,50 29,19

h13 (cm) 2,00 29,19

h14 (cm) 4,75 28,69

h15 (cm) 7,50 10,02

h16 (cm) 8,50 12,77

h17 (cm) 9,00 13,77

h18 (cm) 9,00 14,27

h19 (cm) 9,00 14,27

Caudal (cm³/s)

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

A l t u r a ( c m )

Piezómetro

Linea piezómetrica y de energía

L. Piezométrica

L. Energía


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Cálculo de pérdidas debidas al diafragma:

Para el cálculo de la pérdida de energía experimentalmente es necesario definir de maneraadecuada el volumen de control. Se analizará primero un volumen que comprende un tramo detubería antes de la boquilla e inmediatamente después de la boquilla, aquí se tomara la boquillacomo una reducción brusca. Adicionalmente se tomará como volumen de control el tramo

comprendido entre la boquilla y el tramo de tubería después de la misma.

Pérdidas:

Tablas 7-8. Datos utilizados para el cálculo de pérdida de energía ocasionada por la boquilla

Para el cálculo de los coeficientes ‘k’, necesarios para determinar las pérdidas, se implementaron losiguientes criterios:

Figura 3. Coeficiente para el cálculo de la pérdida de energía en una contracción brusca

( )

Ecuación 1. Ecuación implementada para el para el cálculo de la pérdida de energía en una expansión brusca

k 0,45

Vel. Después de

la boquilla (cm/s) 228,850042

Cabeza de vel.

Después 26,69334442

Pérdida 12,01200499

Por contracción brusca

k 1,5625

Vel. Después de la

boquilla (cm/s) 101,71113

Cabeza de vel.

Después 5,27275939

Pérdida 8,23868655

Por expansión brusca


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Las pérdidas de energía se notan en los piezómetros ubicados justo antes e inmediatamentedespués de la expansión. En las lecturas tomadas en los piezómetros 11-15, se ve claramente lapérdida de energía por la boquilla, a partir de piezómetro 16, el flujo vuelve a estabilizarse; por lotanto, si verificamos la perdida de altura en los piezómetros, vemos que la perdida es de 18,57 cm.

Si sumamos las pérdidas calculadas teóricamente de la contracción y la expansión, vemos que lapérdida total es de 20,25 cm.

Ambas pérdidas (teórica y experimental) son casi iguales, la diferencia está en errores generadospor las mediciones tomadas en el laboratorio y la aproximación de las mismas.

Calibración de la Boquilla:

Para calibrar la boquilla se realizaron 15 mediciones de caudal utilizando el manómetro diferencialde mercurio para calcular Δh (cm) entre el piezómetro 10 y piezómetro 11 del experimento, a

continuación se muestran los datos de alturas, Δh y el caudal de cada medida:

Tabla 2. Caudales medidos para la calibración de la boquilla VDI.

Medida Volumen (cm³) Tiempo (s) Δh (cm) Caudal (cm³/s) Δh (cm Hg) Δh (cm H₂O)

45,5 2,3

39,99 1,3

2 18427,5 26,3 2,3 700,6653992 2,3 31,28

3 11056,5 14,66 3,2 754,1950887 3,2 43,52

4 11056,5 13,06 3,5 846,5926493 3,5 47,6

5 11056,5 13,8 4 801,1956522 4 54,4

6 11056,5 11,89 4,3 929,8990749 4,3 58,48

7 11056,5 13,16 4,4 840,1595745 4,4 59,84

8 11056,5 11,57 4,5 955,6179775 4,5 61,2

9 11056,5 11,8 4,8 936,9915254 4,8 65,28

10 11056,5 10,94 5 1010,648995 5 68

11 11056,5 11,52 5,8 959,765625 5,8 78,88

12 11056,5 11,66 5,3 948,2418525 5,3 72,08

13 11056,5 10,95 5,6 1009,726027 5,6 76,16

14 11056,5 10,56 5,8 1047,017045 5,8 78,88

15 11056,5 9,17 5,6 1205,725191 5,6 76,16

18427,51 431,103053 1,8 24,48


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Los resultados de se presentan a continuación en la curva de calibración que relaciona la lectura enel manómetro diferencial Δh (cm H₂O), con el caudal Q. Se presentan el rango de aplicación yrespectico coeficiente de correlación.

Gráfica 2. Curva de calibración para Q vs Δh.

Según lo analizado antes de la práctica, el factor de correlación ‘R’ debe ser 1, en nuestro es 0.858,de manera tal que lo podemos asumir correcto.

Vemos como los cálculos se acomodan más a una tendencia potencial, por los que nos queda que

Si vemos, el valor del exponente nos da 0.6357, suponiendo que la boquilla se calibra igual que el

venturímetro este valor estaría cerca al ideal que es 0.5

Número de Reynolds y coeficiente de descarga (Cd):

Con fin de disponer de una ecuación sencilla para la determinación del caudal y debido a la

incomodidad para el cálculo de los coeficientes en la expresión de caudal real

√

, la expresión general utilizada es:

√ Cuando se utiliza un manómetro diferencial de mercurio, donde Δh representa la diferencia entre

las columnas de mercurio en las ramas del manómetro.

y = 66,743x0,6357 R² = 0,8558

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100

C a u d a l Q ( c m ³ / s )

Δh (cm H₂O)

Q vs Δh (cm H₂O)

Δh (cm H₂O)

Potencial (Δh (cm H₂O))


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Teniendo el caudal medido experimentalmente procedemos a hallar los valores para Reynolds y

coeficiente de descarga (se trabajó con una viscosidad cinemática del agua a 17°C, es decir

0.010874 cm²/s).

Tabla 9. Resultados obtenidos para el número de Reynolds y coeficiente de descarga.

Gráfica 3. Valores obtenidos de Reynolds y Coeficiente de descarga

Medida Caudal (cm³/s) Vel. Antes (cm/s) Reynolds Cd

1 431,103053 22,58381869 10238,93932 0,72079703

2 700,6653992 36,70514563 16641,19624 1,03637015

3 754,1950887 39,50935866 17912,55639 0,9457511

4 846,5926493 44,34970888 20107,05028 1,0150995

5 801,1956522 41,97153609 19028,84614 0,89862135

6 929,8990749 48,71380976 22085,62462 1,00593456

7 840,1595745 44,01270501 19954,26115 0,89847001

8 955,6179775 50,06112342 22696,46298 1,01052299

9 936,9915254 49,08535576 22254,0743 0,95936349

10 1010,648995 52,94398519 24003,4805 1,01387284

11 959,765625 50,2784026 22794,97194 0,89396257

12 948,2418525 49,67471681 22521,27588 0,92395183

13 1009,726027 52,89563452 23981,55952 0,95714488

14 1047,017045 54,84916648 24867,24211 0,9752319

15 1205,725191 63,16327132 28636,64959 1,14293745

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

7500 12500 17500 22500 27500 32500

C d

No. Reynolds

Cd vs No. Reynolds

Cd


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Figura 4. Valores típicos del coeficiente de descarga, en boquillas de flujo VDI.En la práctica, las boquillas son construidas para varias finalidades: contra incendios, operacionesde limpieza, servicios de construcción, aplicaciones agrícolas, tratamiento de agua, máquinashidráulicas’, etc.

Cuatro tipos son los usuales y se muestran en la Figura. Estos son:

Figura 5. Tipos usuales de boquillas

a) Boquilla cónica simple

b) Boquilla cónica con extremidad cilíndrica

c) Boquilla convexa

d) Boquilla tipo Rouse


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En el mercado se encuentran diferentes tipos de boquillas, de manera que se puedan conseguir lasmás apropiadas para cada tipo de aplicación. La distribución superficial producida y el tamaño delas gotas para un determinado nivel de presión del líquido que llega a la boquilla son losparámetros que determinan los criterios de selección.

Boquillas de hendidura, abanico o chorro plano:

En ellas el orificio de salida no es circular, sino alargado en forma de hendidura. La pulverización seconsigue por el choque de dos láminas líquidas convergentes en las proximidades de la hendidura.El chorro de pulverización es un chorro cónico muy aplastado, con forma de pincel y ángulo entre600 y 1201, con gotas más gruesas en los extremos del abanico.

Boquillas de turbulencia o de chorro cónico (cono hueco y cono lleno):

Estas boquillas dividen el líquido al convertir su energía potencial bajo presión en velocidad, porvariaciones bruscas de sección y de dirección. Este movimiento, en forma de torbellino, lo provocauna cámara helicoidal o una hélice giratoria y un orificio calibrado en la placa de salida a laatmósfera. El propio movimiento helicoidal que toma el líquido en la boquilla se mantiene en elchorro de pulverización, dando lugar a un chorro cónico de gotas, más gruesas y con más cantidadde líquido en el exterior, y muy pocas y mucho más finas en el interior (cono hueco).


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Boquillas deflectoras, de choque, o de espejo:

Proporcionan un perfil de distribución homogéneo y se pueden utilizar sin solapamiento paraconseguir una distribución uniforme. Frente a la salida calibrada se presenta una superficie pulida einclinada respecto a chorro (espejo) que provoca el estallido del mismo y su pulverización según unchorro plano de gran ángulo de abertura. Dan gotas gruesas de baja deriva y tradicionalmente sehan venido aconsejando para tratamientos sobre suelo desnudo con abonos líquidos, o paraherbicidas de acción sistémica en bajo volumen de agua. Con el mismo concepto de la pulverizaciónpor choque, recientemente han aparecido en el mercado unas boquillas de baja deriva,especialmente diseñadas para sustituir a las de abanico en la aplicación de todo tipo de herbicidas.

De tres orificios, o chorros múltiples:

Está constituida por una placa perforada con un orificio calibrado, sobre el que se coloca un cuerpode plástico con tres o más perforaciones sobre una circunferencia que tiene su centro en línea conel orificio de la placa.

Salen tres chorros idénticos con una sucesión de gotas gruesas (0,5 a 2 mm) y cuyo impacto sobreel suelo produce una distribución aceptable para distribución de abonos líquidos. Las presiones detrabajo están entre 1 y 3 bar sin riesgo de obstrucción, incluso con productos densos.

Definiciones tomadas de, AZEVEDO Netto, J .M. de y A COSTA Álvarez, Guil lermo . Manual d e Hidráulic a.

Sexta edic ión. 1975. Editorial TEC-CIEN.


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CONCLUSIONES

La boquilla sigue el mismo principio de calibración que el del venturímetro lo cual indica

que se puede usar como instrumento de aforo de caudales. El uso de la boquilla para el

aforo de caudales es el más utilizado en las empresas hidráulicas debido a que es más

económico que con el tubo de Venturi ya que no necesita cambiarse el diámetro de latubería si no solo insertarle la boquilla

Por el número de Reynolds obtenido vemos que el flujo es turbulento, además observamos

como al disminuir el caudal las, pérdidas que genera la boquilla se van disminuyendo.


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BIBLIOGRAFÍA

Azevedo N., J. M. y Acosta A., G. Manual de Hidráulica. Sexta edición. Harla, S. A. de C. V.México, 1976.

Sotelo A., G., Hidráulica general. Volumen I, Editorial LIMUSA S.A. Sexta edición, México,1982.

http://www.magrama.gob.es/ministerio/pags/biblioteca/revistas/pdf_Agri/Agri_2000_822 _893_897.pdf

http://www.redalyc.org/pdf/932/93215941013.pdf
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