I. Introducción

El banco Hidráulico y su amplia gama de accesorios opcionales han sido diseñados para instruir a estudiantes en los diferentes aspectos de la teoría hidráulica. La mecánica de fluidos se ha desarrollado como una disciplina analítica de la aplicación de las leyes clásicas de la estática, dinámica y la termodinámica, para esta situación en la cual los fluidos son tratados como continuos. Ésta práctica llamada Uso y manejo del Banco Hidráulico desarrolló el día jueves 10 de mayo del 2012 en el laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Tecnología de la Construcción, ubicada en el Recinto Universitario Pedro Aráuz Palacios (UNI-RUPAP) a las 7 AM. El procedimiento consistió en medir el volumen de Caudales en distintos tiempos así como realizar una breve descripción del equipo, sus generalidades, especificaciones, operación del banco Hidráulico y medidas de seguridad al utilizarlo. Con los datos obtenidos se realizaron los cálculos así como las respectivas conclusiones.

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II. Objetivos:

1. Realizar una descripción del equipo.2. Explicar brevemente los requerimientos del equipo.3. Describir las condiciones de seguridad adecuadas para el uso del equipo.4. Medir caudales con el banco hidráulico.

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III. Generalidades:

Requerimientos del equipo:

1. Este equipo requiere una alimentación eléctrica de 110V, frecuencia: 60 Hz.2. Un suministro temporal de agua es necesario para llenar el tanque colector.

(capacidad: 250 litros). La conexión al suministro de agua no es necesaria cuando el banco esta en uso.

3. La conexión temporal de drenaje es necesaria para el vaciado del tanque colector después de su uso. Una manguera flexible debe ser conectada a la valvula de drenaje ubicada en la parte frontal del tanque colector.

4. Es recomendable disponer de 1 a 2 metros alrededor del equipo para un mejor manejo, y asi, una mejor utilización.

5. El emplazamiento definitivo deberá estar bien iluminado, con luz natural o bien artificial. Esto proporcionara comodidad, y evitara errores y accidentes.

6. El equipo debe mantenerse en condiciones de 22ºC y 50% de humedad relativa. Fuera del 25% de estas condiciones, el equipo puede deteriorarse.Por ello se debe evitar lo siguiente:

Dejar el equipo conectado al finalizar un trabajo. Dejar agua en los recipientes al finalizar un trabajo. Dejar el equipo expuesto al sol o luz directa excesiva, de forma continua. Dejar el equipo en ambientes de mas del 80% de humedad relativa. Dejar el equipo en un ambiente químico, salino, de luz directa, calor o

ambiente agresivo.

Condiciones de seguridad adecuadas:

Repase antes de la puesta en marcha, la ausencia de riesgos para las personas analizando detalladamente lo siguiente:

1. Que no existan partes móviles desprotegidas.2. Que no existan contactos eléctricos desprotegidos que puedan ser accesibles.3. Que no exista riesgo de roturas.4. Comprobar que todas las conexiones de agua estén bien ajustadas.5. Que no haya derramamiento de productos peligrosos.6. Comprobar que la alimentación eléctrica es la adecuada y tiene las protecciones

de seguridad idóneas, que la alimentación necesaria del equipo es igual a la alimentación disponible, si dispone de diferencial, si tiene toma de tierra o no, el valor de la toma de tierra y el valor de la tensión.

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7. El interruptor de corte esta cerca para poder actuar rápidamente en caso de emergencia.

8. Las equivocaciones normales del alumno, no causen daño.9. Una vez repasados estos puntos, proceda a pulsar el botón de puesta en

marcha y pase a comprobar el funcionamiento.

Especificaciones:

Dimensiones:Las dimensiones totales del banco hidráulico son las siguientes:Longitud: 1.13mAncho: 0.73m Altura: 1.00m

Detalles del equipo:Bomba de circulaciónTipo: centrifugaAltura máxima: 21 mcaCaudal máximo: 80 lts/min (usando tanque volumétrico)Potencia del motor: 0.37 kw = 0.5 HPCapacidad del tanque sumidero: 250 ltsCapacidad del tanque volumétrico para caudales alta: 40ltsCapacidad del tanque volumétrico para caudales: 6 lts

Operación del banco hidráulico:

Precaución: una vez realizada la medición de caudal con el cronometro, hay que bajar el accionador de la válvula de vaciado para evitar que el tanque sumidero se quede sin agua y la bomba pueda griparse. Cuando se realice de nuevo otra toma de tiempos, subiremos el accionador para llenar el tanque volumétrico y una vez finalizada la medición bajaremos de nuevo el accionador.

Medición del volumen de caudal:

El banco hidráulico incorpora un tanque de medición volumétrica que se acomoda para medición de tasas de flujo altas y bajas.

Un indicador de nivel remoto, que consiste en un tubo de observación y la escala de calibrado está conectado a una toma situada en la base del banco.

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La escala está dividida en dos zonas correspondientes al volumen por encima y por debajo del paso en el banco. Cuando está operando, el tanque volumétrico se vacia levantando la válvula de vaciado, permitiendo que el agua regrese al tanque colector.

Cuando el flujo a través del modelo de prueba se ha estabilizado, la válvula de vaciado se baja reteniendo el agua en el tanque.

Los tiempos son tomados a medida que el nivel del agua se eleva en el tanque. Las bajas tasas de flujo son controladas en la parte inferior de la escala correspondiente al tanque principal. (capacidad: 40 litros).

Cuando las tasas de flujo volumétrico que se van a medir son extremadamente pequeñas se debe una probeta en lugar del tanque volumétrico. Cuando se utiliza el desvio de la probeta del flujo hacia y desde el cilindro deben ser sincronizados lo más estrechamente posible con el arranque y la parada del reloj para lograr una alta precisión.

Todas las lecturas de volumen usando el tanque volumétrico deben ser tomadas con el deflector de amortiguación instalado desde la calibración.

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IV. Equipo empleado:

1. F1-10 banco hidráulico.2. Cronometro.3. Agua.

V. Procedimiento experimental:

El procedimiento desarrollado en ésta práctica de laboratorio es el siguiente:

1. Una vez descritas todas las especificaciones técnicas así como las medidas de seguridad conectamos la bomba.

2. Abrimos la válvula de vaciado para vaciar el tanque volumétrico. Cuando éste se encuentre vaciado, conecte la bomba y cierre la válvula de vaciado.

3. Para medir el cauda cerramos la válvula de purga, para ello levantamos el accionador con una media vuelta de tuerca y que pose sobre el orificio de purga, consiguiendo que el agua no vuelva al tanque.

4. Al mismo tiempo que el depósito se llena, observamos la escala del banco hidráulico podremos comprobar cómo en ella se comienza a subir el nivel de agua.

5. Una vez que llegamos a ésta situación tomamos una medida de referencia (por ejemplo cero en el tramo superior), cuando el agua llegue a ese nivel ponemos en marcha el cronómetro. Parándolo cuando el agua llegue a una medida establecida en el nivel del banco (ejemplo a los 20 lts). Así tendríamos que fluyen cierta cantidad de litros en un tiempo determinado.

6. Se hace el cálculo mediante la fórmula

Q=v (lts)t (seg )

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VI. Tablas y cálculos:

TABLA DE RECOLECCIÓN DE DATOS.

Lectura Nº Volumen inicial (lts)

Volumen final (lts)

Volumen colectado (lts)

Tiempo promedio registrado (s)

1 0 3 3 37.462 12 14 2 15.633 6 10 4 36.804 0 6 6 49.97

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.

Para realizar los cálculos utilizaremos la siguiente ecuación:

Ecuación 1

Q=V o−V f ( lts )treg (s )

=V colltt reg

Donde:

Vo: volumen inicial. Vf: volumen final. treg: tiempo registrado. Q: caudal [litros/segundo]. Vcollt: volumen colectado.

Y para las unidades de medidas correspondientes usaremos las siguientes conversiones:

1minuto=60 segundos1galón=3.75 litros

1día=1440minutos=86400 segundos1m3=1000kg=1000 litrosdeagua

Ahora procederemos a realizar los cálculos con ecuación (1). Calculo del caudal en litros por segundo:

Q1=3 lts37.46 s

=0.0801 ltss

Q2=2lts15.63 s

=0.1280 ltss

Q3=4 lts36.80 s

=0.1087 ltss

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Q4=6 lts49.97 s

=0.1201 ltss

Calculo del caudal en litros por minuto (lts/min):

Q1=

3 lts37.46 s

∗60 s

1min=4.8051

ltsmin

Q2=

2 lts15.63 s

∗60 s

1min=7.6775

ltsmin

Q3=

4 lts36.80 s

∗60 s

1min=6.5217

ltsmin

Q4=

6 lts49.97 s

∗60 s

1min=7.2043

ltsmin

Calculo del caudal en galones por minuto [gal/min]:

Q1=

3 lts37.46 s

∗60 s

1min∗1 gal

3.7854 lts=1.2694

galmin

Q2=

2 lts15.63 s

∗60 s

1min∗1 gal

3.7854 lts=2.0282

galmin

Q3=

4 lts36.80 s

∗60 s

1min∗1 gal

3.7854 lts=1.7229

galmin

Q4=

6 lts49.97 s

∗60 s

1min∗1 ga l

3.7854 lts=1.9032

galmin

Calculo del caudal en galones por día [gal/día]:

Q1=

3 lts37.46 s

∗86 400 s

1día∗1gal

3.7854 lts=1827.9127

galdía

8

Q2=

2 lts15.63 s

∗86 400 s

1día∗1gal

3.7854 lts=2920.6061

galdía

Q3=

4 lts36.80 s

∗86 400 s

1día∗1gal

3.7854 lts=2480.9279

galdía

Q4=

6 lts49.97 s

∗86 400 s

1día∗1gal

3.7854 lts=2740.5887

galdía

Calculo del caudal en metros cúbicos por segundo [m3/s]:

Q1=

3 lts37.46 s

∗1m3

1000<s=8.0085∗10−5 m

3

s

Q2=

2 lts15.63 s

∗1m3

1000lts=1.27959∗10−4 m

3

s

Q3=

4 lts36.80 s

∗1m3

1000 lts=1.08696∗10−4

m3

s

Q4=

6 lts49.97 s

∗1m3

1000lts=1.20072∗10−4

m3

s

TABLA DE PRESENTACIÓN DE RESULTADOS.Lectura

NºCaudal (lts/s)

Caudal (lts/min)

Caudal (gal/min)

Caudal (gal/día)

Caudal (m3/s)

1 0.0801 4.8051 1.2694 1 827.9127 8.0085 * 10 -5

2 0.1280 7.6775 2.0282 2 920.6061 1.27959 * 10-4

3 0.1087 6.5217 1.7229 2 480.9279 1.08696 * 10-4

4 0.1201 7.2043 1.9032 2 740.5887 1.20072 * 10-4

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VII. Desempeño de comprensión:

1. ¿Cuáles son las fuentes de error? a. La mala calibración de la regla graduada colocada en la parte frontal del

Banco Hidráulico.b. La inexactitud en la coincidencia desde que sube el nivel del agua y el

inicio del cronometraje.c. La falta de precisión a la hora de determinar el volumen final en la regla

calibrada debido a las oscilaciones del líquido.

2. ¿Cuál es la capacidad del banco hidráulico de medir caudales bajos y caudales altos?

La capacidad del tanque hidráulico para medir caudales altos es de 40 lts. y para medir caudales bajos es de 6 lts.

3. ¿Qué tipos de aparatos de laboratorio se pueden emplear haciendo uso del banco hidráulico?

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Algunos de los accesorios más utilizados con el Banco Hidráulico:a. Rotámetrob. Vatiómetroc. Tubo de Venturid. Ariete hidráulicoe. Aparato de vórtice libre y forzadaf. Aparato de medición de caudal de aguag. Turbina Peltoh. Aparato de Osborne Reynoldi. Canal de flujo de 5m – 300mm por 300mmj. Red de tuberíak. Aparato de Permeabilidadl. Canal de demostración de transporte de sedimentaciónm. Aparato de Hele Shawn. Unidad de visualización del caudal

4. ¿Cómo determinaría usted el caudal máximo de la bomba? Llenaría el tanque volumétrico hasta su máxima capacidad y determinaría con ayuda de un cronómetro el tiempo de vaciado, con ayuda de la fórmula Q=v / t donde v es el volumen de agua y t es el tiempo que dilata en vaciarse o llenarse el tanque.

5. Describa seis factores que deben considerarse cuando se especifique un sistema de medición de flujo.

Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones esperadas.

Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía.

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Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

6. Describa cuatro tipos de medidores de cabeza variable y cómo se utilizan: el tubo Venturi, la boquilla de flujo, el orificio y el tubo de flujo.

Tubo de Venturi: Este medidor reemplaza la medida del gasto por la medida de una diferencia de presiones. El medidor de Venturi consiste en dos troncos de cono unidos por un tubo y éste a su vez está conectado a la conducción por otro tubo, este tubo contiene mercurio y constituye un manómetro diferencial que determina la diferencia de presiones entre esos dos puntos. Por lo general es una pieza fundida formada por una porción corriente arriba del mismo tamaño que la tubería, forrada de bronce y provista de un anillo piezométrico para medir la presión estática; una región cónica convergente; una garganta cilíndrica forrada de bronce y provista de otro anillo piezométrico; y una sección cónica gradualmente divergente forrada de bronce, la cual desemboca en una sección cilíndrica del tamaño de la tubería. Un manómetro diferencial está conectado a los dos anillos piezométricos. El tamaño del medidor Venturi se da con el diámetro de la tubería y la garganta; por ejemplo, un medidor Venturi de 6 * 4 in puede ser instalado en una tubería de 6” y tiene una garganta de 4”. Para obtener resultados adecuados el medidor Venturi debe ser precedido al menos por una longitud de 10 diámetros de tubería recta. En el flujo de la tubería a la garganta la velocidad aumenta mucho y la presión disminuye en forma correspondiente. Se demuestra que la magnitud de la descarga para flujo incompresible es función de la lectura del manómetro.

Boquilla de Flujo: La boquilla de flujo, es el elemento primario del instrumento de flujo, colocado en el punto de medición, con objeto de crear una reducción de presión diferencial relacionada al flujo. La capacidad de una boquilla de flujo es mayor que la de un orificio de cantos agudos, de manera que puede manejarse un régimen de flujo mucho mayor con la misma relación y con el mismo diferencial. Por consiguiente, cuando el uso de una placa de orificio necesitase una relación demasiado alta, puede obtenerse una relación más baja para el mismo flujo, utilizando una boquilla de flujo y aumentando la exactitud, al reducir

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los errores debidos a las irregularidades en la tubería. Además tiene ventajas para ser usada con fluidos que contienen sedimentos o sustancias sólidas en suspensión. Su sección hidrodinámica evita que se depositen materias sólidas que pudiesen cambiar el perfil de entrada.

Orificio: El termino orificio, según se usa en hidráulica, se aplica a cualquier abertura, con perímetro cerrado, practicada en una pared o tabique que permite el derrame del agua contenida en un recipiente. Los orificios entran en el diseño de muchas estructuras hidráulicas; y se usan frecuentemente en la medición de caudales de las corrientes fluidas.

Tubo de Flujo: Se denomina tubo de flujo a la porción de acuífero limitada por una serie de líneas de corriente que pasan por un contorno cerrado .La propiedad esencial de los tubos de flujo es que el caudal que circula por ellos se conserva constante.

7. Describa el rotámetro de medición de área variable. El Rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal.

8. Describa el tubo de Pitot Estático. Un dispositivo muy difundido para medir la velocidad de manera indirecta aunque bastante precisa, es el tubo de Pitot, el cual mide una presión llamada de estancamiento o de presión total, la cual se compone de dos partes; la presión estática y la presión dinámica, ésta última relacionada con la carga de velocidad, mediante la ecuación de Bernoulli. El tubo de Pitot y el tubo estático se pueden combinar en un solo dispositivo, llamado el de tubo de Pitot Estático, una de cuyas formas particulares es el llamado tubo de Prandtl.

9. Mencione y Describa los vertederos que se utilizan para la medición de flujo en canal del banco hidráulico.

Los tipos más comunes son el vertedero rectangular y el triangular. El vertedero triangular es preferido cuando las descargas son pequeñas, porque la sección transversal de la lámina vertiente muestra de manera notoria la variación en altura.

10.Describa el término coeficiente de descarga en relación con los medidores de cabeza variable.

El coeficiente de descarga se define como la relación entre el caudal real que sale por un orificio y el teórico. Puede expresarse también en función de CV y CC, es decir Cd = CV * CC con lo cual se tiene en cuenta la influencia del rozamiento y la contracción de la vena de corriente por el orificio de salida. El coeficiente de descarga Cd es aproximadamente 0,62 para un orificio de borde afilado y la unidad para una boquilla de borde redondeado. Para un tramo muy corto de tubería o una boquilla externa conectadas a un recipiente, este coeficiente es aproximadamente 0,81.

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11.Defina qué es la carga de presión estática y qué es la carga de presión de velocidad.

Cabeza de presión estática: Es debida a la fuerza que actúa sobre el área transversal de un conducto. La energía depresión se representa por la altura de la columna liquida que está por encima del punto considerado.

Cabeza de velocidad: Es la energía que posee el agua en virtud del movimiento con una velocidad V. Representa la altura la altura a la que subiría un líquido si es lanzado verticalmente con una velocidad.

VIII. Conclusiones:

Después de la realización de este ensayo experimental sobre el uso y manejo del Banco Hidráulico, podemos extraer las siguientes conclusiones:

El Banco Hidráulico es un Instrumento muy importante para instruir a los estudiantes en los diferentes aspectos de la teoría hidráulica.

Banco Hidráulico resulta ser un instrumento muy práctico por su amplia gama de accesorios, lo que lo hace un instrumento bastante versátil.

Es conveniente la utilización del Banco Hidráulico por su fácil manipulación.

El Banco Hidráulico constituye una importante herramienta para el ingeniero civil porque ayuda a determinar caudales, necesario para el diseño de estructuras hidráulicas.

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IX. Anexos

Las siguientes imágenes proporcionan el tipo de Banco Hidráulico que se utilizo en la práctica de laboratorio, asi como cada una de las partes del equipo.

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X. Bibliografía:

1. Hidráulica - N. Nekrasov.2. Mecánica de fluidos – Mott.3. Mecánica de fluidos e hidráulica – Schaum.4. Fundamentos de hidráulica – Sotelo.

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Índice Introducción.......................................................................................................1

Objetivos...........................................................................................................2

Generalidades....................................................................................................3

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Equipo empleado................................................................................................6

Procedimiento experimental.................................................................................6

Tablas y cálculos.................................................................................................7

Desempeño de comprensión..............................................................................10

Conclusiones....................................................................................................14

Anexos...........................................................................................................15

Bibliografía.......................................................................................................16

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