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Flujo de Fluidos

Sifn

AO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO

Universidad nacional del centro del per

Facultad de ingeniera qumica

CTEDRA : FLUJO DE FLUIDOS

CATEDRTICO :

ING GUEVARA YANQUI, PascualALUMNO

:

BALDEON CARHUAMANTA, ELIAS

CHEVALIER SANTIVAEZ, MARCEL F.

LANDEO PILLPA, Karina.

LOSANO VILVARANO, MiguelSEMESTRE :

VISECCIN

:

A

FECHA

:

26/08/11HUANCAYO-PERINTRODUCCINEn general el estudio de un lquido en reposo est basado en ciertos principios bien definidos de fsica, de tal manera que todos los problemas que usualmente se encuentran en hidrosttica no son ms que una aplicacin de stos principios cuya expresin matemtica son frmulas perfectamente conocidas; en cambio, un fluido en movimiento presenta en algunos casos condiciones muy complejas y por lo tanto el fenmeno no puede ser expresado de una manera exacta en alguna forma matemtica debido a las condiciones exteriores ms o menos variadas. A veces para una concepcin clara de un fenmeno es necesario suponer ciertas condiciones ideales que permiten el establecimiento de algunas frmulas fundamentales. Otras veces, dentro de ciertos lmites se establecen algunas frmulas empricas que se pueden aplicar en la prctica, pero que sin embargo, resulta aventurado para el ingeniero no solo escoger para sus clculos tal o cual frmula, sino que tambin es importante que escoja los coeficientes adecuados para cada caso particular.

El sifn es un tubo con forma de U invertida en el que fluye un lquido subiendo en su primera mitad, impulsado por una fuerza exterior, y bajando en la otra, y funciona siempre que el punto de entrada est por encima del de salida: es decir, tiene que haber un cierto desnivel entre los puntos inicial y final que permita compensar el rozamiento; este es el principio de los vasos comunicantes. La palabra, en ltimo trmino, es de origen griego. El sifn se usa para pasar lquidos de un envase a otro, de modo que la palabra se usa tambin para indicar tubos especializados en succin. El agua as asciende hasta el nivel inicial. I. RESUMENLos fluidos ejercen presin sobre cualquier superficie con la que entra en contacto debido a que las molculas estn en constante movimiento, los lquidos segunda presin hidrosttica caracterstica de cada uno de ellos y su velocidad, en el caso de nuestro experimento medimos el tiempo, volumen a una altura determina para hallar un caudal experimental para luego compararlo con el terico luego buscamos una altura mxima a la cual la accin del sifn no se realiza que fue de a = 2.78 m.

Con los datos obtenidos hallamos las respectivas presiones en el punto C del grfico.

II. OBJETIVOS

Objetivo general

Estudiar los principios que rigen un sifn.Objetivos especficos Determinar la potencia de la bomba en estudio.

Calcular la altura mxima del sifn.

III. FUNDAMENTO TERICOSIFN

Es un conducto cerrado, una parte del cual est por encima de la lnea piezomtrica. Esto produce una presin menor que la atmosfrica en esta porcin, y por lo tanto se requiere la creacin de un vaco parcial para que empiece el flujo. El sifn utiliza la presin atmosfrica para producir o incrementar el flujo de agua que transporta. Puede aparecer naturalmente en regiones krsticas.

Un sifn es un sistema hidrulico compuesto por un recipiente del fondo del cual sale un tubo por arriba, pero que luego cae en forma de U invertida, hasta un nivel inferior al piso del recipiente.

Figura 1. Sifn

De acuerdo con la frmula de la columna hidrulica, si el sistema est totalmente lleno de lquido, el peso de la parte externa del tubo (ms larga) ser mayor que el de la parte interna (ms corta); lo cual generar una presin superior igual a la diferencia de niveles entre el lquido en el interior el recipiente y la salida exterior del tubo.

Esa diferencia de presiones es la que hace que se venza el peso de la columna interior, determinando que el lquido suba y sea arrastrado a salir del recipiente.

Para que un sifn funcione, es indispensable por tanto que el tubo sea llenado totalmente de lquido, y llevado su extremo a un nivel inferior al del recipiente de salida. En tal caso, se dice que el sifn se encuentra cebado. Asimismo, es indispensable que por la entrada del tubo no penetre aire, por cuanto en tal caso se vaciara el lquido del sistema de vasos comunicantes que constituye el sifn.

Figura2. El agua as ascenda hasta el nivel inicial (aunque, como se ha dicho, deban prever un cierto desnivel para compensar la friccin de las tuberas y el agua). La construccin del venter compensaba o disminua la presin esttica dentro de la tubera (que depende de la altura de la columna de agua dentro de ella). Adems deban tener en cuenta, en las operaciones de drenaje y limpieza del sifn, una serie de medidas de precaucin para que la nueva entrada de agua se hiciera gradualmente y no destrozara la tubera. No queda claro hasta qu punto los ingenieros romanos conocan estos principios pero el caso es que los aplicaron, aunque con intuicin y tanteo, apoyados en datos empricos, en pruebas y ensayos, en errores cometidos, y los aplicaron con eficacia porque funcionaron bien.EL SIFN EN EL VACOA la pregunta de Es posible el trasiego de lquido en el vaco mediante un sifn? se suele responder terminantemente: No, es imposible! . Por regla general, la circulacin del lquido en el sifn se atribuye nicamente a la presin del aire. Pero esta suposicin es un prejuicio fsico. En un sifn rodeado de vaco el lquido fluye libremente. En principio, el sifn con lquido funciona perfectamente aunque no exista presin del aire (Prof. R.V. Pol en su libro Introduccin a la mecnica y la acstica).

Cmo se explicara, pues, el funcionamiento del sifn sin atribuirlo a la accin de la atmsfera? Para explicarlo, ofrecemos el siguiente razonamiento: la parte derecha del hilo de lquido contenido en el sifn es ms larga y, por ende, es ms pesada, por lo cual arrastra el resto de lquido hacia el extremo largo; una cuerda sostenida mediante una polea ilustra muy bien este hecho.

Figura 3. Explicacin evidente de cmo funciona el sifnAhora vamos a examinar el papel que la presin del aire desempea en el fenmeno descrito. sta slo asegura que el hilo de lquido sea continuo y no salga del sifn. Pero en determinadas condiciones dicho hilo puede mantenerse continuo nicamente merced a la adhesin entre sus molculas, sin que intervengan fuerzas externas.

Figura 4. Trasiego del mercurio mediante un sifn sumergido en aceite. La continuidad del "hilo" de mercurio en el tubo se asegura con la presin del aceite; esta ltima hace las veces de la presin atmosfrica e impide la formacin de burbujas de aire en el agua

Por lo general, el sifn deja de funcionar en el vaco, sobre todo cuando en su punto ms alto hay burbujas de aire. Pero si en las paredes del tubo no hay restos de aire, al igual que en el agua contenida en el recipiente, y se maneja con cuidado el artefacto, es posible ponerlo a funcionar en el vaco. En este caso la adhesin entre las molculas de agua garantiza la continuidad de la columna de lquido (E. Grimsel, Curso de fsica).EL SIFN PARA LOS GASES

Posibilidad de trasvasar gases utilizando un sifn

Es posible trasegar gases mediante un sifn. Para ello es necesario que intervenga la presin atmosfrica, puesto que las molculas de los fluidos no estn adheridas unas a otras. Los gases ms pesados que el aire, por ejemplo, el gas carbnico, se trasvasan mediante el sifn de la misma manera que los lquidos si el recipiente del que sale gas est colocado por encima del otro. Adems, tambin es posible trasegar aire mediante el sifn siempre que se aseguren las condiciones siguientes.

Figura5. Trasvase de gasesEl brazo corto del sifn se introduce en una probeta ancha, llena de agua, e invertida sobre un recipiente con agua, de modo que su boca se encuentra por debajo del nivel del lquido de este ltimo. El otro extremo D del sifn se tapa muy bien con un dedo para que en el tubo no entre agua al introducirlo en la probeta. Cuando se destapa el orificio D, a travs del sifn empiezan a entrar glbulos de aire en la probeta, lo cual significa que este aparato comienza a funcionar.

Para explicar, por qu el sifn introduce aire exterior en la probeta, fijmonos en que a nivel del punto C el lquido experimenta la presin de 1 at, dirigida desde abajo, mientras que desde arriba presiona una atmsfera menos el peso de la columna de agua comprendida entre los niveles C y AB. Precisamente este exceso de presin empuja el aire exterior hacia dentro de la probeta.

APLICACIONES DE LA ECUACIN DE BERNOULLI

La ecuacin de Bernoulli es uno de los pilares fundamentales de la hidrodinmica; son innumerables los problemas prcticos que se resuelven con ella:

Se determina la altura a que debe instalarse una bomba

Es necesaria para el clculo de la altura til o efectiva en una bomba

Se estudia el problema de la cavitacin con ella

Se estudia el tubo de aspiracin de una turbina

Interviene en el clculo de tuberas de casi cualquier tipo

SALIDA POR UN ORIFICIO: ECUACIN DE TORRICELLI

El depsito de la figura contiene un lquido, y tiene en la parte inferior un orificio (O) provisto de una tubera (T) que termina en una vlvula (V):

La superficie libre del depsito se mantiene a una altura (H) constante con relacin al plano de referencia (Z = 0) gracias a que en el depsito entra un caudal (Q) igual al que sale por la tubera. El rea de la superficie libre es suficientemente grande para que pueda considerarse la velocidad del fluido (V1 = 0). En el punto 1, la energa geodsica (Z1 = H). Se despreciarn las prdidas.

Figura 6. Salida por un orificioEcuacin de Torricelli: QUOTE

Apliquemos entre los puntos 1 y 2 la ecuacin de Bernoulli:

Entonces:

Porque en 1 y 2 reina la presin atmosfrica o baromtrica que es igual a O (presin relativa)

Esta velocidad:

Es igual a la que adquirira una partcula de fluido al caer desde una altura H. Es independiente del peso especfico del fluido.INSTRUMENTACIN DE MEDIDA DE VELOCIDADES

Entre los instrumentos para medir la velocidad de un fluido, figura el tubo de Prandtl, cuyo fundamento es la ecuacin de Bernoulli.

Es una combinacin del tubo de Pitot y un tubo piezomtrico; el de Pitot mide la presin total, el piezomtrico mide la presin esttica, y el tubo de Prandtl mide la diferencia entre las dos, que es la presin dinmica.

EL EFECTO SIFN

Figura 7. Sifn que descarga agua por encima de una presaAPLICACIONES

En instalaciones hidrulicas en edificios

La aplicacin ms comn de los sifones es en los desages de fregaderos, lavabos, inodoros, etc, para evitar que el mal olor de las caeras ascienda por los desages. Consiste en un tubo en forma de "S" tumbada, de manera que, al desaguar, se llena la primera curva del tubo y la segunda acta como un sifn, vaciando la primera hasta que el nivel de agua baja y entra algo de aire. En este momento, el sifn deja de funcionar y retrocede el agua que est en la parte ascendente entre las dos eses, llenando la primera curva del tubo y aislando el desage de los gases de la caera. Actualmente, se suelen llevar todos los desages a un sifn comn, llamado "bote sifnico".

En aparatos electrodomsticos

La toma de leja y suavizante de las lavadoras suele ser un sifn. El suavizante est en su cubeta y no alcanza la parte superior del sifn, pero cuando se abre la vlvula de entrada de agua, el nivel sube, comenzando el sifonamiento, que no se interrumpe hasta haber vaciado el depsito de suavizante.

El sifn es la parte de la tubera de desage de los lavabos y fregaderos que se obstruye con ms facilidad.

Este elemento esencial de fontanera est formado por un tubo en forma de 's' acostada que lleva un tapn enroscado en la parte ms baja.

Como descargador de seguridad en canales

Aprovechando las caractersticas hidrulicas de los sifones, estos son ms eficientes que los vertederos libres para descargar el agua que, por alguna maniobra equivocada aguas arriba, podra desbordarse de un canal provocando cuantiosos daos a las estructuras, por ejemplo, de canales de riego.

Para alimentar surcos de riego

Es un sistema bastante utilizado puesto que permite retirar el agua desde el canal terciario de riego sin daar el canal mismo, que generalmente es de tierra. Generalmente estos sifones son de PVC flexible, de un dimetro de entre 2" y 3".Para atravesar depresiones en el terreno

En esta aplicacin en realidad se utiliza lo que comnmente se llama sifn invertido. Si un canal se encuentra a su paso con una depresin del terreno natural que obligara a construir un terrapln muy elevado, muy frecuentemente es ms conveniente interrumpir el canal con un tubo en forma de "U", atravesando as la depresin y retomando luego el canal cuando el terreno vuelve a tener una cota adecuada. En este caso el funcionamiento hidrulico se basa simplemente en el "principio de los vasos comunicantes.

INSTRUMENTACIN DE MEDICIN DE VOLMENES

INSTRUMENTOS VOLUMTRICOS:

Miden el volumen en un intervalo de tiempo. Los principales se clasifican en:

Tanques volumtricos

Tanques gravimtricos Contadores de volumen gastado

Los dos primeros son los nicos medidores primarios.

Entre los contadores de volumen gastado se distinguen dos tipos:

Contadores de desplazamiento positivo: se construyen de muchos tipos; el rotor y la cmara de medicin son de un fenol resnico muy resistente

Contadores de turbina: el rotor es igual al de una turbina hidrulica accionada por el mismo caudalINSTRUMENTACIN DE MEDICIN DE CAUDALES

Los instrumentos para medir caudales se llaman caudalmetros y son un instrumento que mide el flujo instantneo.

Se pueden medir en flujo cerrado o tuberas o en flujo abierto o canales.

CAUDALMETROS DE FLUJO CERRADO:

Se renen en dos grupos:

De rea de paso constante: es el ms importante, consta de un elemento deprimgeno y un manmetro diferencial. El caudal es proporcional a la raz cuadrada de la cada de presin. Los elementos deprimgenos mas importantes son:

Tubo de Ventur: su funcin es crear diferencia de presiones, consta de tres partes: una convergente, una divergente y otra de seccin mnima toberas de medida: son conductos divergentes en la direccin del flujo que producen un aumento de velocidad y una disminucin de la presin. Diafragmas: es una placa de metal que lleva un orificio circular concntrico con el eje de la tubera. De rea de paso variable: los mas importantes son los rotmetros, que consta de un tubo cnico vertical abierto por arriba y abajo un flotador, el cual tiene ranuras inclinadas en su periferia

Electromagnticos De ultrasonido

IV. PARTE EXPERIMENTALMATERIALES

Mdulo para el anlisis del bombeo.

Probetas

Cronometro

Manguera

FlexmetroPROCEDIMIENTO

Reconocer el mdulo de trabajo, partes y funciones. Cebar la bomba y verificar la vlvula de pie.

Llenar de agua el cilindro para bombear el agua hacia el tanque superior.

Realizar las mediciones de la tubera (longitud y dimetro). Medir la altura del nivel inferior hacia el nivel superior del agua.

Medir el volumen en un cierto tiempo de bombeo para hallar el caudal.

Una vez llenado el cilindro de la parte superior, cebar la manguera.

Llevar uno de los extremos hacia arriba para que succione agua hacia el tanque inferior. Verificar la altura adecuada para el funcionamiento ms eficiente del sifn.

Figura . Partes del mdulo de trabajoHALLANDO LA POTENCIA DE LA BOMBATabla 1. Datos experimentales t(s) V(mL)Q(m3/s)

0.736000,82 x 10-3

0.705800,83 x 10-3

0.837000,84 x 10-3

0.685500,81 x 10-3

Caudal promedio: Qprom = 0.825 x 10-3 m3/s

BALANCE DE ENERGIA

No hay transferencia de calor.. Flujo ideal, no hay perdidas.

No hay acumulacin.

Para el equilibrio de masas se tiene que:

Reemplazando:

Dividiendo entre g:

Donde:

Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 1 y 2

(1)Hallando longitud equivalente de accesorios:

Codo de 90

3 codos = 2.25 m

Vlvula de globo

1 vlvula de globo = 9 m

Tee

2 tees = 2.2 m

Unin universal

1 Unin universal = 2 m

Longitud equivalente

Le = 15.45 m

Longitud de tubera

Lt = 6.53 m

Longitud total

L = 22.98 m

Hallando el nmero de Reynolds:

Para H2O (17 C)

Tubera de hierro galvanizado

Del grfico de Moody

Hallando hL:

Hallando :

Hallando la potencia

HALLANDO LA ALTURA MAXIMA

Balance de energa

no hay transferencia de calor.. El sistema no realiza trabajo . Flujo ideal, no hay perdidas.

No hay acumulacin.

Reemplazando:

Es un proceso isotrmico

La presin en A es igual en B

P = 520 mmHg

La vA es pequea porque recin est empezando a mover.

Entonces, simplificando:

Ecuacin de Torricelli:

QUOTE

Hallando la altura mxima:NAlturas(m)T(s)V(lt)Q(lt/s)Qp(lt/s)

1a=0.178

b=2.572

c=05.432.010.370.371

5.842.150.368

5.281.980.375

2a=0.566

b=2.184

c=05.351.940.3620.365

5.21.90.365

5.52.030.369

3a=0.697

b=2.053

c=05.341.920.3590.359

5.351.9270.36

5.231.880.359

4a=1.191

b=1.559

c=05.281.480.280.284

5.31.490.281

5.341.550.29

5a=1.645

b=1.05

c=05.480.9350.1710.159

5.40.860.159

5.370.790.147

Hallando :

Se sabe que:

Para a=0.178

Para a=0.566

Para a=0.697

Para a=1.191

Para a=1.645

N

1

2

3

4

51

La presin en el punto C , debe ser menor a la presin en el punto A .

Si se considera que la presin en C es . Entonces la altura ser .V. DISCUSIN DE RESULTADOS Los datos experimentales obtenidos difieren de los valores tericos debido a errores de medicin de los tiempos y de los respectivos volmenes, tambin debido a los distintos parmetros como la presin, temperatura.

Obtuvimos un margen de error de 28 % en la potencia de la bomba.

VI. CONCLUSIONES Se obtuvo una potencia:

Se determin que la altura mxima a la que trabaja el sifn debe ser menor a 2 .75 metros.VII. RECOMENDACIONES Aunque, como se ha dicho, debemos prever un cierto desnivel para compensar la friccin de las tuberas y el agua.

El acondicionamiento del equipo al momento de formar el Sifn debe compensar o disminuir la presin esttica dentro de la tubera (que depende de la altura de la columna de agua dentro de ella).

Debemos tener en cuenta, en las corridas, una serie de medidas de precaucin para que la nueva entrada de agua se hiciera gradualmente y mas no de una forma brusca. Para esto debemos tener en cuenta algunos principios.

Si no queda ms alternativa, a la salida puedes controlar el flujo mediante un escaln que provoque que el tubo funcione lleno, y despus diseas una cada. Otra forma de lidiar con el problema es dividir el gasto en dos o ms lneas de conduccin para diferentes casos de gastos, y alturas de agua, por ejemplo para gasto normal y para gasto con aportes pluviales.VIII. BIBLIOGRAFA

1. Stephanie Dalley and John Peter Oleson (January 2003). "Sennacherib, Archimedes, and the Water Screw: The Context of Invention in the Ancient World", Technology and Culture 44 (1).

2. Al-Jazari, The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices: Kitb f ma'rifat al-hiyal al-handasiyya, translated by P. Hill (1973). Springer.3. Derek de Solla Price (1975). Review of Ibn al-Razzaz al-Jazari, The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices. Technology and Culture 16 (1), p. 81.

ANEXOS

Tanque Superior

Tanque Inferior

Bomba

Uniones Universales

Llave de paso y codo

1

sifon

A

C

B

a

b

_1292577167.unknown

_1292577843.unknown

_1292577886.unknown

_1292578766.unknown

_1292578095.unknown

_1292578420.unknown

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