LABORATORIO DE FENÓMENOS DEL TRANSPORTE

IMPACTO POR CHORRO

PRACTICA N°4

INTEGRANTES:

DIEGO FELIPE CASTAÑEDA MOLANO

DIRLEY SOLANLLY VELA CARMONA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA

TUNJA

2015

LABORATORIO DE FENÓMENOS DEL TRANSPORTE

IMPACTO POR CHORRO

PRACTICA N°4

INTEGRANTES:

DIEGO FELIPE CASTAÑEDA MOLANO

DIRLEY SOLANLLY VELA CARMONA

Presentado a: Ing. M.Sc. EDWIN ALFONSO PARRA VARGAS

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA

TUNJA

2015

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………….2. OBJETIVOS……………………………………………………………………….3. MARCO TEORICO………………………………………………………………..4. TOMA DE DATOS……………………………………………………………….5. CUESTIONARIO……………………………………………………………….6. ANALISIS DE RESULTADOS………………………………………………..7. PREGUNTAS……………………………………………………………………..8. CONCLUSIONES………………………………………………………………….9. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………

1. INTRODUCCIÓN

Este informe tiene como finalidad determinar la fuerza de impacto de un chorro de agua al salir de un orificio y chocar con una superficie en diferentes formas, en este caso se utilizara un alabe plano y un alabe hemisférico; este tipo de estudios es fundamental para la teoría de mecánica de fluidos que tiene aplicación en diferentes ramas y por lo tanto su importancia varía de acuerdo al caso.

En este informe se analizara la fuerza necesaria para generar un impacto; esta fuerza afecta la energía que lleva el fluido que puede ser aprovechada para realizar diversos trabajos.

Por ejemplo, la conversión que se presenta entre la presión del fluido a trabajo mecánico que es usado en turbo máquinas, de este modo, el chorro es dirigido a las paletas de una turbina, la cual gira por la fuerza generada en las aspas debido al cambio de momento o impulso el cual toma lugar cuando el chorro pega en las paletas.1

1 STREETER, Víctor; WYLIE, E. Benjamin; BEDFORD, Keith W. Mecanica de fluidos. Mc Graw Hill. Novena. Edicion. 2000

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo General

Determinar la magnitud de la fuerza de impacto de un chorro de agua al salir por un orificio chocar con un alabe de diferentes formas; plano, hemisférico, copa cónica.

2.2 Objetivos Específicos

Calcular la velocidad del chorro a la salida de la boquilla. Analizar la relación existente entre la fuerza sobre el alabe y la cantidad de

energía entregada a este. Comprender la aplicación del principio, en las turbo máquinas.

3. MARCO TEORICO

3.1 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.

3.2 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.2

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.

2 Mecánica de fluidos PEDRO FERNANDEZ DIEZ. departamento de ingeniería eléctrica y enérgica, UNIVERSIDAD DE CANTABRIA.

4. TOMA DE DATOS

Tabla 1. Tabla de datos alabe plano

N° DISTANCIA (mm)MASA (Kg)

TIEMPO (S) V (m/S) Vo (m/s) Qm*Vo (N) F (N)

1 5 1,5 690,8303716

70,0501708

80,0032720

1 0,1962

2 12 1,5 471,2190562

90,8939229

50,0855883

7 0,47088

3 19 2 382,0103735

31,8315571

80,2891932

4 0,74556

4 25 2,5 32 2,98414822,8667299

30,6718898

3 0,981

5 34 3 383,0155602

9 2,89941440,6867034

1 1,33416

6 38 3,5 35 3,81970973,7286971

21,1186091

4 1,49112

7 43 4 393,9176509

83,8289671

21,1781437

3 1,68732

8 48 4,5 394,4073573

54,3287179

21,4984023

6 1,88352

9 52 5 424,5472734

5 4,47109561,5968198

6 2,0404810 54 5 48

3,97886427

3,89157563

1,21611739 2,11896

Tabla 2. Tabla de datos alabe hemisférico

N° DISTANCIA (mm)MASA (Kg)

TIEMPO (S) V (m/S) Vo (m/s) Qm*Vo (N) F (N)

1 12 1,5 54 1,06103047 0,66240899 0,05520075 0,470882 18 1,5 46 1,24555751 0,92973841 0,09095267 0,706323 30 2 44 1,73623168 1,52561478 0,20803838 1,17724 44 2,5 40 2,38731856 2,2388144 0,4197777 1,726565 53 3 42 2,72836407 2,59941734 0,557018 2,079726 58 3,5 45 2,97088532 2,85292124 0,66568162 2,275927 69 4 46 3,3214867 3,21640698 0,83906269 2,707568 77 4,5 47 3,65716886 3,56200563 1,02312928 3,021489 84 5 38 5,02593382 4,95711718 1,95675678 3,29616

10 88 5,5 52 4,04007757 3,95414046 1,25467918 3,45312

5. CUESTIONARIO

5.1 PARA EL ALABE PLANO

Calcular la velocidad a la salida del orificio (V) y la velocidad del chorro (Vo).

Se muestran los cálculos para el dato N° 1, los demás se realizan de la misma manera y los resultados están registrados en tabla 1.

Velocidad de salida del orificio:

V= Qvπ r2

V=6,52174 x 10−5m3/s

π (0,005m)2= 0,83037167 m/s

Velocidad del Chorro:

Vo=√V 2−0,687

Vo=√(0,83037167m / s)2−0,687) = 0,05017088 m/s

Calcular la fuerza desarrollada sobre el alabe

F=0,6∗g∗y0,15

F=0,6∗9,81∗0,0050,15

=0,1962N

Graficar la fuerza sobre el alabe (F) vs (Qm*Vo)

Tabla 3. Datos figura 1

Alabe planoQm*Vo (N) F (N)

0,003272014 0,19620,085588367 0,47088

0,28919324 0,745560,671889828 0,9810,686703411 1,334161,118609136 1,491121,178143728 1,687321,498402356 1,883521,596819857 2,040481,216117385 2,11896

Figura 1. Grafica del alabe plano

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.80

0.5

1

1.5

2

2.5

f(x) = 1.12673900773087 x + 0.354685669689854R² = 0.926321394852394

F vs Qm*Vo

Qm*Vo

F (N

)

5.2 PARA EL ALABE HEMISFÉRICO

Calcular la velocidad a la salida del orificio (V) y la velocidad del chorro (Vo).

Se muestran los cálculos para el dato N° 1, los demás se realizan de la misma manera y los resultados están registrados en tabla 2.

Velocidad de salida del orificio:

V= Qvπ r2

V=8,33333 x10−5m3/ s

π (0,005m)2= 1,06103047m/s

Velocidad del Chorro:

Vo=√V 2−0,687

Vo=√(1,06103047m /s )2−0,687) = 0,66240899m/s

Calcular la fuerza desarrollada sobre el alabe

F=0,6∗g∗y0,15

F=0,6∗9,81∗0,0120,15

=0,47088N

Graficar la fuerza sobre el alabe (F) vs (Qm*Vo). Analizar el comportamiento del alabe.

Tabla 4. Datos figura 2Alabe hemisférico

Qm*Vo (N) F (N)0,055200749 0,470880,090952671 0,706320,208038379 1,1772

0,4197777 1,726560,557018002 2,079720,665681623 2,275920,839062691 2,707561,023129276 3,021481,956756782 3,296161,254679184 3,45312

Figura 2. Grafica del alabe hemisférico

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

0.5

1

1.5

2

2.5

3

f(x) = 2.76316559782925 x + 0.472651914968611R² = 0.985010461457823

F vs (Qm*Vo)

(Qm*Vo)

F(N

)

6. ANALISIS DE RESULTADOS

Realizando el procedimiento para distintos caudales, se pudo determinar distintos valores de fuerza y así obtener una función característica para el impacto de un chorro a una placa plana, como también a una placa semicircular.

Según los datos obtenidos podemos observar que a medida que la masa aumenta la distancia del peso ajustable a partir de la posición cero también lo hace de una manera proporcional, al mismo tiempo, el tiempo va disminuyendo.

Tomando estas afirmaciones decimos que la velocidad máxima del chorro a la salida de la boquilla seda para el alabe plano siendo esta mayor a la Vo, lo que se debe a la desaceleración de la gravedad en el momento del impacto del chorro.

Con respecto a la fuerza ejercida por el chorro o generada por el chorro se genera para el alabe hemisférico, a pesar de que sus velocidades son un poco más bajas

que el plano. Luego decimos que la distancia del peso ajustable es la que es proporcional a la fuerza para así crear un equilibrio.

7. PREGUNTAS

- ¿Que sugerencias tiene para mejorar la práctica?

Respuesta: Con el objetivo de mejorar la práctica y disminuir el error asociado a la toma de datos, sería buena idea el tener más cuidado con la medición del tiempo y buscar una precisión más exacta al nivelar la regleta con la masa.

- ¿Cuál sería el efecto sobre el valor del cálculo de la eficiencia en los siguientes errores sistemáticos de medición?

Respuesta: Los errores crearían diferentes fallas en los resultados aumentando o disminuyéndolos de la realidad:

Error de 1gr en el peso ajustable: Con un error de este tipo todas las ecuaciones estarían erradas, puesto que, afectaría principalmente a caudal, se debe tener en cuenta que de allí se derivan los otros datos. Si fuese

menor disminuiría el caudal y las velocidades y si fuese mayor de manera inversa.3

Error de 1mm en la distancia del centro del orificio a nivel pivote (L): En este caso se vería afectada la fuerza del impacto del chorro.

- Si el experimento se realizara con un cono de 60o ¿Cómo cree usted que serían los resultados representados en las gráficas anteriores?

Respuesta: La grafica tendería a ser más lineal para un cono de 60o en comparación del alabe hemisférico, puesto que tendría influencia en la diminución fuerza del impacto porque el área de contacto del chorro es pequeña.

- Si el alabe estuviera sometido a un desplazamiento con velocidad constante, por ejemplo en una turbina o rueda Pelton; como cree que sería la componente de la fuerza resultante que opone el alabe y la velocidad de salida de chorro ya impactado.

Respuesta: La fuerza de impacto de chorro aumentaría de igual manera se comportaría la velocidad de salida, puesto que tendría mucho más facilidad de fluir, debido a que sufrirían un impulso o ayuda al momento de desplazarse el fluido, en nuestro caso el agua.

REVISION LITERARIA

- Establecer las componentes de las fuerzas generadas por un chorro sobre un alabe curvo cuando esta fijo y cuando se mueve con una velocidad V constante, considerando que no hay fricción.

Respuesta:

3(3) http://www.pagina12.com.ar/diario/suplementos/futuro/13-1961-2008-07-23.html

- Describir en que consiste la teoría de cascada

Respuesta: La teoría de cascada o teoría de la redistribución consiste en que la generación de un flujo turbulento comienza con la entrega de energía cinética al fluido para que alcanzara el régimen turbulento, y que se manifiesta en la formación de dos o tres grandes remolinos que se dividían, entre los remolinos que surgen de esos dos o tres remolinos iniciales, que a su vez se redistribuyen entre los remolinos más pequeños que surgían del mismo proceso, hasta que de algún modo la viscosidad del fluido, lo permitía.

- Describir los tipos de turbinas hidráulicas de uso actual en hidroeléctricas.

Respuesta:

Turbinas de chorro: La principal es la turbina Pelton, en esta, el agua tiene una presión muy alta. La válvula de aguja, que se usa para controlar el flujo de agua, deja pasar un chorro de agua que choca con los álabes de la turbina transfiriéndole su energía y haciendo girar la turbina. Esta, a su vez, hace girar un generador que está acoplado al eje de la turbina para producir energía eléctrica, como medida de seguridad se usa una válvula esférica.4

4(4)http://es.scribd.com/doc/58526815/4impacto-de-Chorro-Sobre-Alabes#scribd

Turbinas de reacción: Las turbinas de reacción son de dos tipos: Francis y Kaplan. En ellas ocurre un proceso similar, excepto que la presión es más baja, la entrada a la turbina ocurre simultáneamente por múltiples compuertas de admisión (wicket gates) dispuestas alrededor de la rueda de álabes (runner) y el trabajo se ejerce sobre todos los álabes simultáneamente para hacer girar la turbina y el generador.

8. CONCLUSIONES

Una de las aplicaciones más importantes en la industria de la fuerza generada por el impacto de chorro son las turbinas, donde 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.

El ángulo y la forma del alabe tiene gran influencia en la fuerza que ejerza el impacto del chorro, ya que entre mayor sea el valor de este ángulo mayor será la fuerza que actúa sobre el alabe.

En este experimento se encontró que el chorro sobre el alabe plano genera una mayor fuerza que en alabe hemisférico, esto pudo ser porque el área de contacto entre el chorro y el alabe era mayor en el plano que el

hemisférico, lo que conlleva a una diferenciación en las componentes y el valor de la fuerza.

Se logró medir experimentalmente la fuerza que genera un chorro sobre una superficie conocida, en nuestro caso fue la superficie plana y hemisférica, para ello se dedujo una expresión, a partir de sumatoria de momentos sobre el soporte de la placa respetiva y utilizando un contrapeso para crear equilibrio.

Igualmente se obtuvo los valores teóricos para cada situación, tomando como referencia el caudal real.

9. BIBLIOGRAFIA E INFOGRAFIA

(1) STREETER, Víctor; WYLIE, E. Benjamin; BEDFORD, Keith W. Mecanica de fluidos. Mc Graw Hill. Novena. Edicion. 2000

(2) Mecánica de fluidos PEDRO FERNANDEZ DIEZ. departamento de ingeniería eléctrica y enérgica, UNIVERSIDAD DE CANTABRIA.

(3) http://www.pagina12.com.ar/diario/suplementos/futuro/13-1961-2008-07-23.html

(4) http://es.scribd.com/doc/94940321/Impacto-chorro-sobre-alabes#scribd

(5) http://es.slideshare.net/angiecarolinafuentes/5-impacto-de-chorro-guia

(6) http://es.scribd.com/doc/58526815/4impacto-de-Chorro-Sobre-Alabes#scribd

(7) http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Noviembre_2011/IF_GARCIA%20PEREZ_FIEE.pdf

(8) http://www.pagina12.com.ar/diario/suplementos/futuro/13-1961-2008-07-23.html

(9) http://oa.upm.es/199/1/01200502.pdf

(10) http://tutoriales.mejorqueperdereltiempo.es/Neumatica/Cascada.html