Laboratorio Impacto de chorro

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2015

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Elementos de Hidráulica

Laboratorio #8

Impacto de chorro sobre superficie

120°

Impacto de chorro sobre superficie 120° 24 de junio de 2015

Objetivo Evaluar y medir la fuerza ejercida

sobre diferentes blancos y comparación con las fuerzas predichas por la teoría de la inercia.

Evaluar y medir la fuerza ejercida sobre una superficie plana (90°).

Evaluar y medir la fuerza ejercida sobre una superficie curva (120°).

Evaluar y medir la fuerza ejercida sobre una superficie semiesférica (180°).

Adquirir habilidad en el uso del equipo.

Equipos y materiales

IntroducciónLas fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente para resolver todos los problemas que se presentan y por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento. Para una turbina de impulso o de reacción no existe aceleración del fluido respecto al álabe, es decir, trabaja a velocidad constante. En general, la energía del fluido que se transmite a los álabes (o rotor) es convertida en energía mecánica y ésta a su vez puede ser transformada en energía eléctrica, como sucede en las plantas hidroeléctricas.

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Datos adicionales

La velocidad: La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa el desplazamiento de un objeto por unidad de tiempo.

Las turbinas: son dispositivos que producen energía a partir de un fluido que pasa por ella, están constituidos por un conjunto de álabes ajustados al eje de la turbina recibiendo el nombre de rodete o rotor.

Banco hidráulico FME00 .Equipo especifico FME0 .Cronometro Probeta


PRINCIPIO DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO

Las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente para resolver todos los problemas que se presentan y por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento.

Ecuación de momento para un volumen de control:

Esta ecuación establece la suma de las fuerzas (de superficie y másicas) que actúan sobre un volumen de control no acelerado, es igual a la relación de cambio de momento dentro del volumen de control, más la relación neta de flujo de momento que sale a través de la superficie de control.

APLICACIONES

Las turbinas son dispositivos que producen energía a partir de un fluido que pasa por ella, están constituidos por un conjunto de álabes ajustados al eje de la turbina recibiendo el nombre de rodete o rotor.

El flujo a través de una turbo máquina puede ser: axial, radial o mixto. La máquina de flujo axial (turbina Francis) maneja grandes gastos, con alto rendimiento. Para una turbina de impulso o de reacción (turbina Pelton) no existe aceleración del fluido respecto al álabe, es decir, trabaja a velocidad constante.

En general, la energía del fluido que se transmite a los álabes (o rotor) es convertida en energía mecánica y ésta a su vez puede ser transformada en energía eléctrica, como sucede en las plantas hidroeléctricas.

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Considere una placa simétrica alrededor del eje y como muestra la Un flujo de chorro a una rata de m [kg/s] a lo largo del eje y con una velocidad V1 [m/s] golpea la placa y es desviado por esta un ángulo β, de manera que el fluido deja la placa con una velocidad V2 [m/s] a un ángulo β respecto al eje y. Los cambios en la elevación y en la presión piezométrica del chorro desde que golpea la placa hasta su salida son despreciables para el caso.

FUERZA PRODUCIDA POR UN

CHORRO DE AGUA

La velocidad v del fluido que sale de la boquilla de sección A, se calcula como: v = Qt A .

Se supone que la magnitud de la velocidad no varía al pasar el flujo por el deflector, cambiando sólo su dirección. La segunda ley de Newton aplicada al flujo una vez desviado, proporciona:

Fy = Qmv (cos θ + 1),

Donde• Fy es la fuerza ejercida por el deflector sobre el fluido.• Qm es el flujo másico. Qm = ρQt = ρAv.• Qt el el flujo volumétrico.

En una situación de equilibrio estático, Fy queda compensada por la carga aplicada W = mg, con loQue:W = ρAv2 (cos θ + 1)La pendiente s de un gráfico que represente la fuerza W en función de v2, es por tanto s = ρA (cos θ + 1)

Nótese que θ = 180◦ − α, donde α es el ángulo de deflexión.

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Procedimientos

I. Parte. EQUILIBRIO DEL SISTEMA (ángulo de 120) °:

Retire la tapa situada encima del depósito transparente de agua y enrosque la superficie de impacto curva (a=120°) en el eje vertical unido solidariamente al soporte sobre el que se colocan las pesas.

Cubra el tanque de nuevo con la tapa Ponga el dispositivo del banco hidráulico FME00, conectando su entrada de

agua a T1 con ayuda del conector rápido. Equilibre el equipo con ayuda del nivel de burbuja situado sobre la tapa del

cilindro. Para ello, regule la altura de los soportes ajustables hasta que la burbuja se estabilice en el centro del indicador

Ajuste el calibre hasta que se situé en el mismo nivel que la señal de la plataforma auxiliar.

Coloque en la plataforma un peso y anote su valor Cierre la VCC del FME00 o FME00B y a continuación encienda la bomba. Con la ayuda de la VCC regule el flujo que impacta contra la superficie para

conseguir que la señal de la plataforma este en la misma altura que la indicación del calibre, es decir, que vuelva a la posición original.

En esta situación de equilibrio, mida el flujo de salida a través de la boquilla. Para ello, cierre el desagüe del banco hidráulico y tome medidas del volumen

en un tiempo determinado, obteniendo así los litros por unidad de tiempo. Repita los pasos anteriores aumentado las masas y flujos gradualmente.

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Cálculos y resultados

EQUILIBRIO DEL SISTEMA (ángulo de 120) °: Para el desarrollo de la determinación de equilibrio se llenara en este cuadro.

Datos

Masa(g) Volumen(ml)

Tiempo (s) Q (caudal)(ml/s)

200 705 2.66 264.14400 930 2.74 344.09

De la presente ecuación para la superficie a 120°

Fy=23

φQV Fm=mg V=QA

Para masa de 200g tenemos:

Fm=mg=200 g1000 g

(kg )(9.81m

s2 )=1.962 N

V=QA

=264.14

mls

( m3

1000000 ml)

5.0265 x 10−5 m2 =5.25ms

Fy=32

φQV =32 (998

kgm3 )(2.6 x10−4 m3

s )(5.25ms )=2.04 N

Para masa de 400g tenemos.

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Fm=mg=400 g1000 g

(kg )(9.81m

s2 )=3.92 N

V=QA

=344.09

mls

( m3

1000000 ml)

5.0265 x 10−5 m2 =6.85ms

Fy=32

φQV =32 (998

kgm3 )(3.4 x10−4 m3

s )(6.85ms )=3.49 N

CUADROS Nº.1, 2, 3,4

CUADROS fuerzas por Angulo

La presentes tablas muestras resultados calculados a partir de ecuaciones para diferente medida de ángulo, las medidas para 90° y 180° se calcularon con el mismo procedimiento para el de 120°,difiriendo en su ecuación de Fy que es distinta, los datos fueron suministrados por los grupos encargados.

ConclusionesEl impacto del chorro es útil para el aprovechamiento de la energía que trae el agua.

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Grupo 1 laboratorio

Grupo 3 laboratorio

Grupo 2 laboratorio

Nuestro

90° Masa(g) Fy (N) Fm=mg(N)

1 200 2.34 1.962 400 3.97 3.92

180° Masa(g) Fy (N) Fm=mg(N)

1 200 2.49 1.962 400 4.31 3.92

120° Masa (g) Fy (N) Fm=mg(N)

1 200 2.04 1.962 400 3.49 3.92


En los cuadros realizados para este laboratorio se muestra como la fuerza va aumentando a medida que pasa el tiempo con respecto a la velocidad y el flujo másico. Dependiendo de la superficie se puede aprovechar más la energía del fluido.

De modo que podemos conocer las fuerzas que se genera por el impacto del chorro de agua al golpear la superficie. En los resultados podemos la similitud aproximada entre Fm y Fy para el cálculo de 120º como resultado experimental denotamos aproximación debido a porcentaje de error.

Recomendaciones Comprobar que el nivel del agua este sobre la línea para que esta

pueda ejercer la presión mínima de actuación de la bomba y así evitar cavitación en esta.

Cerrar totalmente las válvulas del sistema. Verificar el equipo a utilizar: pesas de que vamos a utilizar en este

laboratorio de 200 y 400 g. Se debe tomar la medición cuidadosamente y al abrir la válvula debemos hacerlo de forma lentamente hasta que la regla marque la posición medida inicialmente en el numeral.

También es importante cerrar las válvulas pequeñas (para evitar accidentes). Y rapidez a la hora de marcar el cronometro del tiempo para evitar posibles errores en los cálculos.

Anexos

Bibliografía

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Education

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