Clase 3 Orificios Y Toberas 2017-1497894917
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DISEÑO DE OBRAS HIDROTÉCNICAS
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
DISEÑO DE OBRAS HIDROTÉCNICAS
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
Orificios Son estructuras de medición simples y de fácil mantenimiento. Su construcción no implica grandes sumas de capital y pueden resolver el problema cuando la diferencia (h1-h2) es pequeña.
Se emplean para medir gastos pequeños normalmente menores de 0,10 m3/s. Para que en estas estructuras de medición ocurran condiciones aceptables de medición el nivel aguas arriba debe ser suficientemente alto para evitar vórtices en la superficie de entrada del flujo al orificio. Sus principales desventajas es que acumulan y se obstruyen fácilmente con los sedimentos de fondo.
CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
1. Según el ancho de la pared 2. Según la forma
3. Según las dimensiones relativas 4. Según su funcionamiento
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
SEGÚN EL ANCHO DE LA PARED Orificios de pared delgada
Son los que cumplen con la condición de que el único contacto entre el líquido y la pared es alrededor de una arista afilada donde e < 1.5 d, como se observa en la Figura a) Cuando el espesor de la pared es menor que el diámetro (e < d) no se requiere biselar (Figura b).
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN EL ANCHO
DE LA PARED
Orificios de pared gruesa La pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y 1.5 d < e < 2d. Se presenta adherencia del chorro líquido a la pared del orificio.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN LA FORMA •
Orificios circulares.
•
Orificios rectangulares.
•
Orificios cuadrados.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
SEGÚN SUS DIMENSIONES RELATIVAS Según Azevedo y Acosta (1976) los orificios se pueden clasificar según sus dimensiones relativas de la siguiente forma: • Orificios pequeños Si d < ⅓ H. • Orificios grandes Si d > ⅓ H. d : diámetro del orificio. H : profundidad del agua hasta el centro del orificio.
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO: • Orificios con descarga libre
En este caso el chorro fluye libremente en la atmósfera siguiendo una trayectoria parabólica.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO: • Orificios con descarga ahogada o sumergida. Cuando el orificio descarga a otro nivel que está por arriba del canto inferior del orificio.
El funcionamiento es idéntico al orificio con descarga libre, pero se debe tener en cuenta que la carga Δh se mide entre la lámina de flujo antes y después del orificio.
Toberas
Toberas Las toberas son obras hidrométricas que se utilizan para pequeños caudales, principalmente en canales de riego. Se basan en crear una diferencia de carga por el estrechamiento de la tobera o protuberancia, la cual trabaja sumergida. La tobera Saniiri fue desarrollada por Butirin (1937) y puede ser de sección circular, cuadrada o rectangular.
Esquema para diferenciar entre Orificios y Toberas
Orificio UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Tobera Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cónicas Con estas toberas se aumenta el caudal, ya que experimentalmente se verifica que en las toberas convergentes la descarga es máxima para θ= 13° 30´.
Esto
permite
coeficiente
como
de
resultado
descarga
de
un 0.94
(notablemente mayor que el de las toberas cilíndricas).
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cónicas Las
boquillas
divergentes
con
la
pequeña sección inicial convergente se
denominan Vénturi, puesto que fueron estudiadas por este investigador, que
demostró experimentalmente que un ángulo de divergencia de 5 grados y e =
9 d permite los más altos coeficientes de descarga.
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cilíndricas (interna) También denominadas boquillas patrón y de comportamiento similar al de un
orificio de pared gruesa. Pueden ser interiores y exteriores.
En las boquillas interiores la contracción de la vena ocurre en el interior, no
necesariamente el chorro se adhiere a las paredes y presenta un coeficiente de
descarga que oscila alrededor de 0.51 (Azevedo y Acosta, 1976).
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cilíndricas (externa)
Para el caso de boquillas cilíndricas externas con la vena adherida a las paredes se tiene un coeficiente de descarga de 0.82 (Azevedo y Acosta, 1976).
Diseño Hidráulico en Orificios y Toberas
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
Cálculo del Caudal de Salida por Orificios
Para determinar el caudal real (Qr) que sale por un orificio se debe considerar la Velocidad real (Vr) y el Area real del chorro (Ar). Qr= Vr Ar
Vr= Cv Vt
Ar= Cc Ao
donde: Cv- Coeficiente de Velocidad Vt- Velocidad Teórica
donde: Cc- Coeficiente de Contracción Ao- Area del Orificio
Qr= Cv Vt Cc Ao Cd= Cv Cc Qr= Cd Vt Ao
Vt=
2gH
Qr= 𝐂𝐝 ∙ 𝐀𝐨 𝟐𝐠𝐇
Ecuación para descarga libre:
Q= 𝑪𝒅 ∙ 𝑨 𝟐𝒈(𝒉) El Coeficiente de Gasto o Descarga (Cd) está en función de que el orificio trabaje sumergido o libre. La siguiente tabla muestra los valores de Cd.
Ecuación para orificio sumergido: Q= 𝑪𝒅 ∙ 𝑨 𝟐𝒈(𝒉𝟏 − 𝒉𝟐)
Valores de Coeficientes para diferentes condiciones de Orificios y Toberas
El error en el gasto para una cuidadosa construcción y un mantenimiento sistemático es del 1%. RESTRICCIONES DE DISEÑO.
• Los bordes del orificio deben estar biselados al igual que el bisel que se diseña para los vertedores triangulares. • La pared del orificio debe ser vertical. • Distancia borde del orificio a la pared más cercana = radio del orificio • h1 = 1,5 diámetro del orifício • (h1 – h2) = 0,03 metros.
Variación de los coeficientes de descarga (Cd), velocidad (Cv), y contracción (Cc), con el número de Reynolds en un orificio circular. (Sotelo, G. 1982).
Cálculo del Caudal de Salida por las Toberas
FÓRMULA PARA TOBERAS DE SECCIÓN CIRCULAR TRABAJANDO SUMERGIDAS:
Q= 𝟑, 𝟑 𝒅𝟐 𝒉
FÓRMULA PARA TOBERAS DE SECCIÓN RECTANGULAR TRABAJANDO SUMERGIDAS:
Q= 𝟒. 𝟏 𝒂 ⋅ 𝒃 𝒉
RESTRICCIONES DE DISEÑO:
Q ≤ 1m3/s
Para Toberas Circulares debe cumplirse además:
RESTRICCIONES DE DISEÑO:
Para Toberas Rectangulares debe cumplirse además:
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Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
ORIENTACIÓN DE TRABAJO AUTÓNOMO Elaborar presentación Oral para EXPONER y ENTREGAR IMPRESO Informe Técnico y digital una Programación en EXCEL que permita realizar el diseño hidráulico de canales y obras Hidrométricas a partir de la siguiente información:
ORIENTACIÓN DE TRABAJO POR EQUIPOS Elaborar presentación Oral para EXPONER sobre el diseño hidráulico de canales y obras Hidrométricas a partir de la siguiente información:
Forma de presentación: Oral por equipos. Fecha de presentación: Próxima clase Objetivo: Desarrollar y EVIDENCIAR una Programación en EXCEL para el Diseño de Obras Hidrotécnicas. Temas por equipos: Equipo 1: Secciones 1,3 y 5 y Diseño de Vertedor Triangular Equipo 2: Secciones 1,2 y 4 y Diseño de Vertedor Rectangular c/ contracciones laterales Equipo 3: Secciones 2,3 y 5 y Diseño de Orificio circular Equipo 4: Secciones 2, 4 y 5 y Diseño de Tobera circular Equipo 5: Secciones 3, 4 y 5 y Diseño de Tobera Rectangular Equipo 6: Secciones 1,2 y 3 y Diseño de Tobera Cuadrada Equipo 7: Secciones 1,3 y 4 y Diseño de Vertedor Rectangular s/ contracciones laterales Equipo 8: Secciones 1, 3 y 5 y Diseño de Orificio Rectangular Equipo 9: Secciones 1, 2 y 5 y Diseño de Orificio Cuadrado Equipo 10: Secciones 2, 3 y 4 y Diseño de Tobera Rectangular Sumergida (Δh=0,5 m)
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
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DISEÑO DE OBRAS HIDROTÉCNICAS
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
Orificios Son estructuras de medición simples y de fácil mantenimiento. Su construcción no implica grandes sumas de capital y pueden resolver el problema cuando la diferencia (h1-h2) es pequeña.
Se emplean para medir gastos pequeños normalmente menores de 0,10 m3/s. Para que en estas estructuras de medición ocurran condiciones aceptables de medición el nivel aguas arriba debe ser suficientemente alto para evitar vórtices en la superficie de entrada del flujo al orificio. Sus principales desventajas es que acumulan y se obstruyen fácilmente con los sedimentos de fondo.
CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
1. Según el ancho de la pared 2. Según la forma
3. Según las dimensiones relativas 4. Según su funcionamiento
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
SEGÚN EL ANCHO DE LA PARED Orificios de pared delgada
Son los que cumplen con la condición de que el único contacto entre el líquido y la pared es alrededor de una arista afilada donde e < 1.5 d, como se observa en la Figura a) Cuando el espesor de la pared es menor que el diámetro (e < d) no se requiere biselar (Figura b).
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN EL ANCHO
DE LA PARED
Orificios de pared gruesa La pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y 1.5 d < e < 2d. Se presenta adherencia del chorro líquido a la pared del orificio.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN LA FORMA •
Orificios circulares.
•
Orificios rectangulares.
•
Orificios cuadrados.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
SEGÚN SUS DIMENSIONES RELATIVAS Según Azevedo y Acosta (1976) los orificios se pueden clasificar según sus dimensiones relativas de la siguiente forma: • Orificios pequeños Si d < ⅓ H. • Orificios grandes Si d > ⅓ H. d : diámetro del orificio. H : profundidad del agua hasta el centro del orificio.
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO: • Orificios con descarga libre
En este caso el chorro fluye libremente en la atmósfera siguiendo una trayectoria parabólica.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO: • Orificios con descarga ahogada o sumergida. Cuando el orificio descarga a otro nivel que está por arriba del canto inferior del orificio.
El funcionamiento es idéntico al orificio con descarga libre, pero se debe tener en cuenta que la carga Δh se mide entre la lámina de flujo antes y después del orificio.
Toberas
Toberas Las toberas son obras hidrométricas que se utilizan para pequeños caudales, principalmente en canales de riego. Se basan en crear una diferencia de carga por el estrechamiento de la tobera o protuberancia, la cual trabaja sumergida. La tobera Saniiri fue desarrollada por Butirin (1937) y puede ser de sección circular, cuadrada o rectangular.
Esquema para diferenciar entre Orificios y Toberas
Orificio UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Tobera Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cónicas Con estas toberas se aumenta el caudal, ya que experimentalmente se verifica que en las toberas convergentes la descarga es máxima para θ= 13° 30´.
Esto
permite
coeficiente
como
de
resultado
descarga
de
un 0.94
(notablemente mayor que el de las toberas cilíndricas).
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cónicas Las
boquillas
divergentes
con
la
pequeña sección inicial convergente se
denominan Vénturi, puesto que fueron estudiadas por este investigador, que
demostró experimentalmente que un ángulo de divergencia de 5 grados y e =
9 d permite los más altos coeficientes de descarga.
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cilíndricas (interna) También denominadas boquillas patrón y de comportamiento similar al de un
orificio de pared gruesa. Pueden ser interiores y exteriores.
En las boquillas interiores la contracción de la vena ocurre en el interior, no
necesariamente el chorro se adhiere a las paredes y presenta un coeficiente de
descarga que oscila alrededor de 0.51 (Azevedo y Acosta, 1976).
CLASIFICACIÓN DE LAS TOBERAS SEGÚN SU FORMA: • Cilíndricas (externa)
Para el caso de boquillas cilíndricas externas con la vena adherida a las paredes se tiene un coeficiente de descarga de 0.82 (Azevedo y Acosta, 1976).
Diseño Hidráulico en Orificios y Toberas
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
Cálculo del Caudal de Salida por Orificios
Para determinar el caudal real (Qr) que sale por un orificio se debe considerar la Velocidad real (Vr) y el Area real del chorro (Ar). Qr= Vr Ar
Vr= Cv Vt
Ar= Cc Ao
donde: Cv- Coeficiente de Velocidad Vt- Velocidad Teórica
donde: Cc- Coeficiente de Contracción Ao- Area del Orificio
Qr= Cv Vt Cc Ao Cd= Cv Cc Qr= Cd Vt Ao
Vt=
2gH
Qr= 𝐂𝐝 ∙ 𝐀𝐨 𝟐𝐠𝐇
Ecuación para descarga libre:
Q= 𝑪𝒅 ∙ 𝑨 𝟐𝒈(𝒉) El Coeficiente de Gasto o Descarga (Cd) está en función de que el orificio trabaje sumergido o libre. La siguiente tabla muestra los valores de Cd.
Ecuación para orificio sumergido: Q= 𝑪𝒅 ∙ 𝑨 𝟐𝒈(𝒉𝟏 − 𝒉𝟐)
Valores de Coeficientes para diferentes condiciones de Orificios y Toberas
El error en el gasto para una cuidadosa construcción y un mantenimiento sistemático es del 1%. RESTRICCIONES DE DISEÑO.
• Los bordes del orificio deben estar biselados al igual que el bisel que se diseña para los vertedores triangulares. • La pared del orificio debe ser vertical. • Distancia borde del orificio a la pared más cercana = radio del orificio • h1 = 1,5 diámetro del orifício • (h1 – h2) = 0,03 metros.
Variación de los coeficientes de descarga (Cd), velocidad (Cv), y contracción (Cc), con el número de Reynolds en un orificio circular. (Sotelo, G. 1982).
Cálculo del Caudal de Salida por las Toberas
FÓRMULA PARA TOBERAS DE SECCIÓN CIRCULAR TRABAJANDO SUMERGIDAS:
Q= 𝟑, 𝟑 𝒅𝟐 𝒉
FÓRMULA PARA TOBERAS DE SECCIÓN RECTANGULAR TRABAJANDO SUMERGIDAS:
Q= 𝟒. 𝟏 𝒂 ⋅ 𝒃 𝒉
RESTRICCIONES DE DISEÑO:
Q ≤ 1m3/s
Para Toberas Circulares debe cumplirse además:
RESTRICCIONES DE DISEÑO:
Para Toberas Rectangulares debe cumplirse además:
UNIVERSIDAD LAICA “ELOY ALFARO” DE MANABI Facultad de Ingeniería CREADA RESOLUCIÓN CONUEP 3 DE SEPTIEMBRE DE 1997
Dr. Ing. Ramón Pérez Leira Email: rperezleira@gmail .com
ORIENTACIÓN DE TRABAJO AUTÓNOMO Elaborar presentación Oral para EXPONER y ENTREGAR IMPRESO Informe Técnico y digital una Programación en EXCEL que permita realizar el diseño hidráulico de canales y obras Hidrométricas a partir de la siguiente información:
ORIENTACIÓN DE TRABAJO POR EQUIPOS Elaborar presentación Oral para EXPONER sobre el diseño hidráulico de canales y obras Hidrométricas a partir de la siguiente información:
Forma de presentación: Oral por equipos. Fecha de presentación: Próxima clase Objetivo: Desarrollar y EVIDENCIAR una Programación en EXCEL para el Diseño de Obras Hidrotécnicas. Temas por equipos: Equipo 1: Secciones 1,3 y 5 y Diseño de Vertedor Triangular Equipo 2: Secciones 1,2 y 4 y Diseño de Vertedor Rectangular c/ contracciones laterales Equipo 3: Secciones 2,3 y 5 y Diseño de Orificio circular Equipo 4: Secciones 2, 4 y 5 y Diseño de Tobera circular Equipo 5: Secciones 3, 4 y 5 y Diseño de Tobera Rectangular Equipo 6: Secciones 1,2 y 3 y Diseño de Tobera Cuadrada Equipo 7: Secciones 1,3 y 4 y Diseño de Vertedor Rectangular s/ contracciones laterales Equipo 8: Secciones 1, 3 y 5 y Diseño de Orificio Rectangular Equipo 9: Secciones 1, 2 y 5 y Diseño de Orificio Cuadrado Equipo 10: Secciones 2, 3 y 4 y Diseño de Tobera Rectangular Sumergida (Δh=0,5 m)
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