Informe de Laboratorio Nº 7

7/24/2019 Informe de Laboratorio Nº 7

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INFORME DE LABORATORIO Nº 7CHIMENEA DE EQUILIBRIO

1. INTRODUCCIÓN

Los fenómenos presentados en el interior de las tuberías necesitan ser descritosmatemáticamente para permitir su análisis desde un punto de vista científico ytecnológico.Estos estudios han impulsado el desarrollo de la mecánica de fluidos, haciendoposible la construcción de equipos que están sometidos a condiciones cada vezmás elevadas y reduciendo las fallas por fatiga, el ruido excesivo y los desgastesprogresivos por cavitación.

Estudiar las características y el comportamiento de una chimenea en equilibrio.

omprobar los resultados experimentales con los resultados teóricosdeducidos por las ecuaciones.

2. GENERALIDADES

2.1 GOLPE DE ARIETE O CHOQUE HIDRAULICO

!e define el ariete hidráulico como una serie de choques, este es producido por lainestabilidad que es consecuencia de la excitación del sistema, como apertura ocierre de válvulas, el funcionamiento de turbinas o bombas, la ruptura de tubos o

el efecto de cavitación" cuyo sonido es seme#ante al de los golpes de un martilloproducidos por la repentina reducción del flu#o de un fluido en el tubo.uando no es factible cerrar una válvula con lentitud, se pueden usar cámaras deaire o tanques de oscilación $ chimenea de equilibrio $ para absorber todo elaumento en la presión o parte de %ste.

&l producirse un golpe de ariete 'positivo o negativo( por una brusca variación dela apertura del regulador, la sobrepresión o depresión creada inicialmente en elextremo inferior de la conducción forzada, se refle#a cambiándose su signomientras la otra prosigue su camino por la conducción forzada.)esde el punto de vista energ%tico puede considerarse la transformación de laenergía cin%tica del fluido en energía potencial elástica 'cambios de presión( y

viceversa.!i la tubería carece de roce y es indeformable y por lo tanto no hay p%rdidas deenergía, el fenómeno se produce indefinidamente. !i hay roce y la tubería eselástica parte de la energía se va perdiendo y las sobrepresiones son cada vezmenores hasta que el fenómeno se extingue.

&hora si la sección de la chimenea es lo suficientemente grande, absorbe casitotalmente la onda de presión, de manera que la fracción que se transmite a laconducción forzada, aguas arriba de la chimenea, es despreciable, pudiendo por



ello decir que esta parte de la conducción está totalmente protegida por lachimenea.on la chimenea se produce un nuevo fenómeno de oscilaciones en masa delagua contenida en la chimenea.En el caso del cierre total del regulador de una tubería la velocidad del agua debe

anularse para alcanzar el estado de equilibrio. En la tubería comprendida entrelas turbinas y la chimenea de equilibrio, la anulación de la velocidad en lastuberías se debe efectuar casi bruscamente, transformándose toda la energíacin%tica en energía potencial de presión, es decir, produci%ndose un golpe deariete.*n parámetro importante se debe tener en cuenta para los cálculos teóricos, eldiámetro interior dentro de la tubería de presión, como en el de la chimenea deequilibrio, el primero es de +.+- mm y el segundo de ./0 mm.

2.2 CHIMENEA DE EQUILIBRIO

1ubo o dispositivo vertical o inclinado, de gran sección, que se coloca en latrayectoria de la tubería de presión y que se une a ella por su parte inferior, en unpunto situado lo más cerca posible de la casa de las maquinas quedando el bordesuperior de la chimenea lo suficientemente elevado sobre el nivel hidrostático.Los almenares y chimeneas de equilibrio son dispositivos que act2an como controlpara las sobre presiones generadas por el golpe de ariete y como estabilizador para el flu#o en caso de cualquier fenómeno transiente que pueda presentarse enla instalación.La chimenea que se ha dise3ado, al estar en condiciones iniciales de presión ycaudal, al presentarse cualquier transiente hace que el agua ascienda hastadonde se equilibra en la altura con la presión remanente en la línea.La altura que pueda alcanzar el agua dentro de la chimenea es la variable másimportante en el fenómeno, es en función de ella que se tiene en la ecuación quedescribe el comportamiento del dispositivo. En el ensayo se observa la rapidezcon que mueve el agua y a la vez es posible ver la gran cantidad de oscilacionesque se presentan en muy corto tiempo.4or e#emplo, al prender una bomba, la velocidad en la línea de descarga aumentadesde el valor cero hasta el máximo correspondiente a las condiciones der%gimen" o tambi%n al cerrar una válvula rápidamente en un sistema de tuberíadurante el escurrimiento, el flu#o a trav%s de la válvula se reduce, iniciándose enpulso de alta presión que se propaga en dirección contraria al escurrimiento, %stepulso de presión hace que la velocidad del flu#o disminuya.La presión en el lado de las aguas deba#o de la válvula se reduce y la onda depresión disminuida via#a en el sentido del escurrimiento, disminuyendo la velocidaddel flu#o.4ara evitar las sobre presiones producidas por el fenómeno del golpe de ariete,mientras dura el r%gimen no permanente se dispone la instalación de unosdispositivos que pueden ser colchón de aire, válvula compresora o reguladora depresión, chimenea de equilibrio.



2.3 REQUISITOS PRELIMINARES

onocimiento de la teoría del análisis )imensional.

3. MATERIAL UTILIZADO

*n tanque de &lmacenamiento *na tubería *na chimenea de equilibrio sencilla 5álvulas de control de caudal 5álvula de cierre rápido 1anque volum%trico )os piezómetros con escala

ronómetro

4. PROCEDIMIENTO

Mon!"#

Estando el tanque a nivel constante se procede a graduar la válvula de globo,de#ando circular el agua hasta que se estabilice.

6allar el caudal que fluye por el tubo por medio de un volumen en undeterminado tiempo, por medio de una cubeta.



&ccionar la válvula de cierre rápido y se procede a tomar el tiempo en el que sepresenta el nivel máximo en la chimenea.

Los caudales se obtienen graduando la válvula de globo para tres caudalesdiferentes.

4ara calcular la velocidad en la chimenea utilizamos la ecuación de )arcy7

8eisbach9

)onde omitimos las perdidas a lo largo de la tubería.)e aquí obtenemos la siguiente ecuación para la chimenea9

El n2mero de :eynolds es9

; para las tuberías lisas la aspereza es cero, nos remitimos al diagrama de <oodyy leemos el valor de f correspondiente a las velocidad que queremos hallar.

$. C%LCULOS & RESULTADOS.

$.1 CHIMENEA DE EQUILIBRIO' )iámetro de la chimenea. A= >xr ?

Q()3 *+,

T (S, -o ()3, Z/1

(),Z/2

(),1! L#0! 2! L#0! 3! L#0! -1

()*+,Z)! T

(S,Z)! T

(S,Z)! T

(S,0,00@-?A 0,0@-?A 0,0@-?A ,/? ,@+ ,BA ,- ,BA ,++ ,BA ,? 0,0/+

0,00?//?B 0,0?//?B 0,0?//?B ,?-+ ,0 ,A?+ ,A@ ,A/ ,BB ,A/ +,B 0,+

0,00?+B+@ 0,0?-?@+ 0,0?-?@+ ,?/ 0,@B ,A+ +,/ ,A+ +,A ,A+ +,B 0,/@

0,00/0/? 0,0+B?? 0,0+B?? ,?? 0,@/ ,A?+ +,?/ ,A +,?/ ,A +,/ 0,+?0

0,00/?B+A 0,0B/?-+ 0,0B/?-+ ,?/ 0,@/+ ,A +,? ,A+ +,A ,A+ B 0,/B

0max

2

2 Z Z

g

V

D

L f

p−==

∆

γ

( )

fL

g Z Z V

20max

−=

ν A

QD=Re

A

QV =



)onde.

C0 = Divel del agua en equilibrio con la válvula de cierre rápido cerrada.

C0? = Divel del agua en equilibrio con la válvula de cierre rápido abierta.

C = Divel del agua debido al golpe de ariete, medida en el piezómetro cuandose cierra la válvula de cierre rápido repentinamente.

P' 5 x 6

P' x 0 x 8 )onde 0 es igual a la celeridad.

C!! Q()3,

P1

(95.*)2,P2

(95.*)2,P3

(95.*)2,PPo)#:o

Z)!. Z):n. 6(),

P(95.*)2,

-()*+

Q1 0,00@- B+@,A+ B+@,A+ B+@,A+ B+@,A+ ,BA0 ,@+ 0,A+ B+@,A+ 2;<4

Q2 0,00?// BA@,-+ BAB-,@ BAB-,@ BA+?,++ ,A?+ ,0 0,B-+ BA@,-+ 3;$2

Q3 0,00?+B AA@,@ AA@,@ AA@,@ AA@,@ ,A+0 0,@B 0,A@0 AA@,@ 3;7<

Q4 0,00/0/ AA@-,@+ A@B, A@B, A-@A,0+ ,A?+ 0,@/ 0,A@+ AA@-,@+ 3;7<4

Q$ /;//32= 7><7;/$ 7<4=;1 7<4=;1 7<2<;7$ 1;74/ /;<3$ /;>/$ 7><7;/$ 3;>2

Entre los dos piezómetros existen una diferencia de ?.-A m, entre los cuales sedeterminaron las siguientes p%rdidas para cada caudal.

C!! Z1. Z 2.HL(),

P(95.*)2,

Q1 ,/? ,@+ 0,?+ ??B,?+Q2 ,?-+ ,0 0,?+ ?0/,+Q3 ,?/ 0,@B 0,?A ?B-,AQ4 ,?? 0,@/ 0,?@ ?-,@

Q$ ,?/ 0,@/+ 0,?@+ ?-@/,@+

)onde9

C = &ltura del primer piezómetro.C? = &ltura del segundo piezómetro.

ρ

B F

c =



$.2 GOLPE DE ARIETE

C

Lt

2=

t = 0.0@!egundo1iempo en el que tarda la onda en ir al tanque y regresar

'lFs( Cmáx'm( Cmin'm( t's( h'm( c p v 'mFs(

.A . +./ 0.B .0@B +--0.-? ./A .A . + 0.+B .0- +--.ABB ./+

.A? .A + 0.++ .0- +/@0.A+? ./.A/ .0/ B 0.A .? B-B0.@+A .BBA

? .A? .0B +.B 0.BB .0- BB-.@0? .+AB.A .0@ +.B 0.B+ ./? B/A0.--@ .+/.A 0.@@ B./ 0.A+ ./? A/+.0?+ .A-

/ .A+ .0/ B. 0.A? ./ A0+B.@- .A0+.A/ 0.@B B.+ 0.AA .? A+A.0+/ .-/

$.3 CHIMENEA DE EQUILIBRIO ABIERTA

$.3.1T:#)?o@ 4or la ecuación de continuidad se puede obtener el tiempo transcurrido

entre el cierre de la válvula y el instante en el que el nivel de la almenara alcanzasu máximo valor9

$.3.2 A! ):)! # ! 06:)#n#!@ 4artiendo del esquema se ha deducido lasecuaciones para efectuar el calculo de la altura máxima alcanzada por el fluido

dentro de una chimenea abierta, este valor es el más importante a calcular paraeste dispositivo puesto que el alivio de sobre presiones en la conducción se lograpartiendo del desplazamiento de la masa del fluido que se encuentra afectado por la transiente el cual haciende por la chimenea y define la presión máximaremanente en la tubería en el punto de inserción en la chimenea, dichasobrepresión remanente es la sobrepresión que no alcanza por medio de este tipode protección. El dise3o de la almenara, requiere de una sección y longitud

( )∫

++

−=−

x Zma

Z Z Z L A

A K

ce K A

L A

K

Z g

dz

A

At

'

0

2/1

0*21

21

22

11

12

2

1



optimas, tratando de equilibrar tanto la altura piezom%trica como la sobrelevaciónproducida por el cierre de las válvulas.

=. CONCLUSIONES

)e las tablas observamos que a medida que el caudal aumenta, tambi%naumenta la diferencia de velocidades, lo cual se traduce en perdidas seenergía entre los piezómetros, esto debido al factor de fricción de las tuberíasque aunque son plásticas no podemos asegurar que sean totalmente lisas.

&l existir un flu#o por la tubería de presión se observa que el piezómetrocercano al tanque de abastecimiento tiene un mayor nivel que el piezómetroque esta cerca de la chimenea, debido a las perdidas en la tubería de presión

Es importante tener en cuenta que en tuberías de alta presión no se debe

cerrar las válvulas rápidamente ya que se pueden romper o deformar debido algolpe de ariete.

Gasados en lo visto en la chimenea y en los piezómetros podemos vislumbrar los efectos que un golpe de ariete puede producir en una tubería, por esto esconveniente, en tuberías de alta presión, cerrar las válvulas controladamente.

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