Informe Boquilla

ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA JULIO GARAVITO FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL

LABORATORIO DE HIDRAULICA DE SISTEMAS A PRESION P RESION PRACTICA N°5

Estudiante

FEDERICO CELIS SANCHEZ - 2097307

Profesor JAVIER MAURICIO MARTINEZ ARIZA

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

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 energía cuando se tiene un estrangulamiento puntual de la sección de la tubería por donde circula el 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.

3

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 dispositivo cumple 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=

[2g (( P1-P2)/)]1/2

CcA2

[( 1 – (A2 /A1)2]1/2

Y con los coeficientes de contracción Cc = A 2 /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

4

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

5

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.

6

PROCEDIMIENTO

1.

Se hacen circular caudales diferentes, y se mide en cada uno tres volúmenes con la probeta y sus respectivos tiempos. a. Dibuja líneas Piezométrica y de Energía b. Calcular Pérdidas debidas a la boquilla c. Analizar L.P y L.E

2.

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

3.

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

4.

Determinar Reynolds en la sección 1 y Cd.

7

REGISTRO DE DATOS

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)

 

8,50

h17 (cm)

 

9,00

h18 (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

1

18427,5

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

11056,5

9,17

5,6

1205,725191

5,6

76,16

15

431,103053

1,8

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

h19 (cm)   9,00 Tabla 1. Altura de los piezómetros para un caudal circulante específico.

8

24,48

CÁLCULOS Para dibujar la línea piezometrica basta con las alturas obtenidas en cada uno de los 19 piezómetros. 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 el área del tanque se puede despejar dicho valor analíticamente de la expresión de caudal,

 

Dimensiones del tanque Ancho (cm) Largo (cm) Área (cm²) 65,00 56,70 3685,50 Tabla 3. Dimensiones del tanque, necesarias para el cálculo de la velocidad.

Caudal (cm³/s)   Velocidad antes de la   boquilla (cm/s) Velocidad después de   la boquilla (cm/s) Velocidad Mucho   después (cm/s)

648,8556338

Cabeza de Vel. Antes

33,99103275

Cabeza de vel.   Después Cabeza de vel. Mucho   después

228,850042 101,7111298

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

Área (cm²) Diam. Antes de la boquilla (cm) Diam. Boquilla (cm) Diam. Desp de la boquilla (cm)

4,93

19,09

1,90

2,84

2,85

6,38

Tabla 5. Medidas del montaje necesarias para los cálculos.

9

  0,588883949 26,69334442 5,272759391

Caudal (cm³/s)

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

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

Linea piezómetrica y de energía

35,00 30,00 25,00

L. Piezométrica

    )    m    c20,00     (    a    r    u    t 15,00     l    A

L. Energía

10,00 5,00 0,00 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Piezómetro

Grafica 1. Trazado de línea piezométrica y de energía.

10

Cálculo de pérdidas debidas al diafragma: Para el cálculo de la pérdida de energía experimentalmente es necesario definir de manera adecuada el volumen de control. Se analizará primero un volumen que comprende un tramo de tubería antes de la boquilla e inmediatamente después de la boquilla, aquí se tomara la boquilla como 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:

Por contracción brusca   0,45 k Vel. Después de   228,850042 la boquilla (cm/s) Cabeza de vel.   26,69334442 Después Pérdida   12,01200499

Por expansión brusca   1,5625 k Vel. Después de la   101,71113 boquilla (cm/s) Cabeza de vel.   5,27275939 Después Pérdida   8,23868655

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 lo

siguientes 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

11

Las pérdidas de energía se notan en los piezómetros ubicados justo antes e inmediatamente después de la expansión. En las lecturas tomadas en los piezómetros 11-15, se ve claramente la pérdida de energía por la boquilla, a partir de piezómetro 16, el flujo vuelve a estabilizarse; por lo tanto, 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 la pérdida total es de 20,25 cm. Ambas pérdidas (teórica y experimental) son casi iguales, la diferencia está en errores generados por 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 diferencial de 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:

Medida Volumen (cm³)

Tiempo (s)

Δh (cm) Caudal (cm³/s) Δh (cm Hg) Δh (cm H₂O)

45,5

2,3

39,99

1,3

18427,5

26,3

3

11056,5

4

1

18427,5

431,103053

1,8

24,48

2

2,3

700,6653992

2,3

31,28

14,66

3,2

754,1950887

3,2

43,52

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

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

12

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

Q vs Δh (cm H₂O) y = 66,743x0,6357 R² = 0,8558

1400     ) 1200    s     /     ³ 1000    m    c 800     (    Q     l 600    a     d    u 400    a    C 200 0

Δh (cm H₂O)

Potencial (Δh (cm H₂O)) 0

20

40

60

80

100

Δh (cm H₂O)

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.

13

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).

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

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

Cd vs No. Reynolds 1,2 1,1 1     d    C

0,9 0,8

Cd

0,7 0,6 0,5 7500

12500

17500

22500

27500

32500

No. Reynolds Gráfica 3. Valores obtenidos de Reynolds y Coeficiente de descarg a

14

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, operaciones de limpieza, servicios de construcción, aplicaciones agrícolas, tratamiento de agua, máquinas hidráulicas’, etc.

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

a) Boquilla cónica simple b) Boquilla cónica con extremidad cilíndrica c) Boquilla convexa d) Boquilla tipo Rouse

Figura 5. Tipos usuales de boquillas

15

En el mercado se encuentran diferentes tipos de boquillas, de manera que se puedan conseguir las más apropiadas para cada tipo de aplicación. La distribución superficial producida y el tamaño de las gotas para un determinado nivel de presión del líquido que llega a la boquilla son los parámetros 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 se consigue 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 entre 600 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, por variaciones bruscas de sección y de dirección. Este movimiento, en forma de torbellino, lo provoca una cámara helicoidal o una hélice giratoria y un orificio calibrado en la placa de salida a la atmósfera. El propio movimiento helicoidal que toma el líquido en la boquilla se mantiene en el chorro de pulverización, dando lugar a un chorro cónico de gotas, más gruesas y con más cantidad de líquido en el exterior, y muy pocas y mucho más finas en el interior (cono hueco).

16



Boquillas deflectoras, de choque, o de espejo:

Proporcionan un perfil de distribución homogéneo y se pueden utilizar sin solapamiento para conseguir una distribución uniforme. Frente a la salida calibrada se presenta una superficie pulida e inclinada respecto a chorro (espejo) que provoca el estallido del mismo y su pulverización según un chorro plano de gran ángulo de abertura. Dan gotas gruesas de baja deriva y tradicionalmente se han venido aconsejando para tratamientos sobre suelo desnudo con abonos líquidos, o para herbicidas de acción sistémica en bajo volumen de agua. Con el mismo concepto de la pulverización por 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 cuerpo de plástico con tres o más perforaciones sobre una circunferencia que tiene su centro en línea con el orificio de la placa. Salen tres chorros idénticos con una sucesión de gotas gruesas (0,5 a 2 mm) y cuyo impacto sobre el suelo produce una distribución aceptable para distribución de abonos líquidos. Las presiones de trabajo 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.

17

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 la tubería 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.

18

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

19