SIFÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMEN TO ACADEMICO DE QUIMICA, INGENIERIA Y

TECNOLOGIA

TEMA :

CÁTEDRA : PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE FLUIDOS

CATEDRÁTICO : Ing. Pascual Víctor Guevara Yanqui

INTEGRANTES : CAMARGO PEÑA, Jesica

CAMPOS BLAS, Freedy CHAVEZ PACHECO, Maria del Pilar JOAQUIN HERRERA, Jim

LAURA CANCHARI, Gabriel QUISPE MEZA, Lucero

TAZA ORDOÑEZ, Brenda VILLANUEVA ALIAGA, Lisset

YANSE SOTO, Jackelin

YARANGA LANDA, Jordy

SEMESTRE : VI

HUANCAYO – PERÚ

2013

I INTRODUCCIÓN

Los conocimientos de ingeniería obtenidos en nuestra formación, llevándolo a la

realidad algunas obras de sistemas sanitarios, la topografía del ambiente exige una

ejecución de obras especiales como sifones invertidos, dada la necesidad de superar

obstáculos como, quebradas, ríos, canalizaciones de aguas pluviales, aductoras, cruce

de túneles subterráneos (metros), etc.

El sifón normal surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico

y conducir un fluido mediante una tubería a presión, diseñándose como una tubería

simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve

el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría

mayores costos elevando el monto del proyecto. -Este tipo de estructura se justifica

porque reduce los costos de un proyecto haciéndolo más económico ahorrando tiempo

de ejecución. Nos permite vencer una elevación y transportar el fluido de un punto de

difícil acceso a otro.

II RESUMEN

Un sifón es un dispositivo o estructura hidráulica que se utiliza para trasvasar un

líquido en canales a través de obstáculos tales como un rio, una depresión del

terreno u otro canal.

Podemos diferenciar dos tipos de sifones en cuanto al principio de su

funcionamiento: Sifón (normal) y Sifón invertido.

En la realización del experimento se trabajó con el diseño de un sifón normal, en el

cual se determinó la máxima altura de esta, utilizando la ecuación de Bernoulli la

cual nos dio como resultado: 6.898𝑚, como consecuencia de la determinación de

la altura máxima se determinó el caudal, la velocidad de fluido, las perdidas por

fricción y la presión absoluta en el vértice del sifón; los cuales fueron planteados

como objetivos de la experimentación.

III OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL

Estudiar de los principios que rige el sifón

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar la altura máxima para que no se lleve a cabo la acción del sifón.

Calcular el caudal a un volumen y tiempo de salida.

Determinar la velocidad de salida del fluido a una altura determinada.

Determinar la perdida de carga por fricción total.

Determinar la presión absoluta en el vértice del sifón.

IV MARCO TEÓRICO

4.1 SIFÓN

Un sifón está formado por un tubo, en forma de "U" invertida (en el caso de sifón

normal), con uno de sus extremos sumergidos en un líquido, que asciende por el

tubo a mayor altura que su superficie, desaguando por el otro extremo. Para que el

sifón funcione debe estar lleno de líquido, ya que el peso del líquido en la rama del

desagüe es la fuerza que eleva el fluido en la otra rama. El sifón ya era conocido

por los romanos que lo utilizaban en sus acueductos.

GASTO O CAUDAL

El Volumen de fluido que pasa por un área transversal perpendicular a la sección recta

de tubería en la unidad de tiempo se llama gasto o caudal, y lo designamos con la letra

Q. Las unidades dependen del sistema usado (m3/s, L/s).

4.2 DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO

Los sifones son estructura hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el

agua a través de obstáculos tales como un rio, una depresión del terreno u otro

canal.

Podemos diferenciar dos tipos de sifones en cuanto al principio de su

funcionamiento: Sifón (normal) y Sifón invertido.

El sifón normal llamado simplemente sifón por la mayoría de los autores conduce el

agua pasando sobre el obstáculo como se ilustra en la figura (a) y su funcionamiento

del agua a la entrada; para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacío en

el interior del conducto, entonces la diferencia de presión entre la entrada (Presión

atmosférica) y en el interior del conducto (Presión cero o próximo a cero) hace que el

agua fluya en sentido ascendente al llegar a la crosta A, el agua cae por gravedad hacia

la rama derecha dejando un vacío en la crosta lo que hace que el flujo sea continuo

mientras no se introduzca aire en el conducto, por esta razón la entrada al sifón debe

estar siempre ahogada.

4.3 CALCULO HIDRÁULICO

4.3.1 Calculo de la perdida de carga

En un sifón se presentan varios tipos de pérdidas de carga.

a) Perdida por transición de entrada

Se ha obtenido experimentalmente que es aproximadamente la décima

parte del incremento de carga de velocidad entre los extremos de la

transición.

ℎ𝑇𝐸 = 𝜎1(𝑉2

2

2𝑔−

𝑉12

2𝑔)

Donde:

ℎ𝑇𝐸 = Perdida de carga por transicion de entrada

𝑉1 = Velocidad en el inicio de la transicion

𝑉2 = Velocidad al final de la transicion

b) Pérdida de carga por entrada al conducto

Es la componente más considerable de las pérdidas de carga, su valor

puede representar hasta el 70% de la pérdida total. Es ocasionado por el

rozamiento entre las partículas del líquido y las paredes del conducto por lo

tanto depende de la mayor o menor rugosidad de la superficie interior del

conducto.

La fórmula de Darcy es una de las más usadas para determinar está perdida

de carga.

ℎ𝑓 = 𝑓𝐿𝑉2

2𝐷𝑑

ℎ𝑓 :perdida de carga por friccion

𝑓: coeficiente de friccion

𝐿: longitud de la tuberia

𝑉: velocidad del aguaen el conducto

𝐷: diametro interior de la tubería

TABLA 1. Coeficiente de fricción

c) Perdida de carga por fricción dentro del conducto

Experimentalmente se ha obtenido que es aproximadamente dos décimas

del cambio de carga de velocidad entre los extremos de transición de salida.

ℎ𝑇𝐸 = 𝜎2(𝑉3

2

2𝑔−

𝑉42

2𝑔)

Donde:

ℎ𝑇𝐸 = Perdida de carga por transicion de salida

𝑉3 = Velocidad en el inicio de la transicion

𝑉4 = Velocidad al final de la transicion

d) Perdida de carga por transición de salida

Las funciones de las transiciones es cambiar gradualmente la sección del

canal a la sección del conducto.

Según especificaciones de la secretaria de Recursos Hidráulicos el ángulo

∝ formado por el eje de la transición del nivel del agua con el talud debe

estar dentro de los siguientes límites: 12° − 30 ́a 22° − 30´

∝ 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜___________22° − 30´

∝ 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜___________12° − 30´

Ecuación de energía entre el tanque de carga y el punto más alto del

conducto (T)

Por estar el conducto por encima de la línea estática, la presión atmosférica

es el principal factor que contribuye al ascenso del fluido tal como se verá

en las siguientes ecuaciones. Es por ello que se recomienda hacer el

análisis en términos de presiones absolutas.

𝑧1 +𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎1

𝛾+

𝑉12

2𝑔= 𝑧𝑇 +

𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎𝑇

𝛾+

𝑉𝑇2

2𝑔+ ∑ ℎ𝑝

𝑇

1

Despejando la presión atmosférica y haciendo despreciable la cabeza de

velocidad en el tanque de carga se tiene que se cuenta con la presión

atmosférica del lugar para vencer un desnivel hasta el punto T, garantizar

una cabeza de velocidad en T y vencer las perdidas entre 1 y T.

𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎1

𝛾= 𝑧𝑇 − 𝑧1 +

𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎𝑇

𝛾+

𝑉𝑇2

2𝑔+ ∑ ℎ𝑝

𝑇

1

La presión atmosférica del lugar depende de la altitud del lugar, siendo la

máxima al nivel del mar. Para otras elevaciones puede usarse la siguiente

expresión aproximada:

𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎1

𝛾𝑙𝑢𝑔𝑎𝑟 = 10.33 −

1.2 ∗ 𝑎𝑙𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑢𝑔𝑎𝑟(𝑚)

1000

Despejando la altura de ascenso 𝑧𝑇 − 𝑧1 se tiene que la altura de ascenso

del sifón por encima de la línea estática, debe ser menor que presión

atmosférica del lugar.

𝑧𝑇 − 𝑧1 =𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎1

𝛾−

𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎𝑇

𝛾−

𝑉𝑇2

2𝑔− ∑ ℎ𝑝

𝑇

1

Para evitar problemas de cavitación, la presión en T debe ser siempre

mayor que la presión de vapor de agua. Se recomienda por seguridad que

sea mayor que 2.0 o 3.0 Pa.

La presión de vapor se refiere a la presión necesaria para que un fluido

pase del estado líquido al gaseoso a una temperatura dada.

Ecuación de energía entre el tanque de carga y el de descarga

Para garantizar el funcionamiento del sistema debe cumplirse con la

ecuación de la energía entre los tanques 1 y 2.

𝑧1 = 𝑧2 + ∑ ℎ𝑝

2

1

4.4 VERIFICACIÓN DEL AHOGAMIENTO

En sifones tipo normal el ahogamiento tanto a la entrada como a la salida del

conducto es indispensable ya que el funcionamiento se basa en producir dentro del

conducto una presión inferior a la atmosférica.

En sifones invertidos no es necesario el ahogamiento desde el punto de vista de su

funcionamiento hidráulico, sin embargo es recomendable que trabaje ahogado

sobre todo en la entrada para evitar que entren a los conductos solidos flotantes

que puedan obstruirlo.

El ahogamiento mínimo recomendable es de un décimo del tirante.

4.5 ELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA

El diámetro de la tubería se determina mediante la ecuación de la continuidad para

un gasto determinado de modo que la velocidad del agua en el conducto este

dentro de los límites recomendables para que no se produzca ni sedimentación ni

erosión dentro del conducto.

𝑉𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎____________3.0𝑚/𝑠

𝑉𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎____________1.5𝑚/𝑠

Cuando el gasto que deberá conducir el sifón varía dentro de un rango muy amplio

no es posible escoger una sola tubería que satisfaga las condiciones de velocidad

citadas para los diferentes valores del gasto. En estos casos se diseña un sifón con

varias tuberías independientemente para varios valores del gasto y a la entrada una

cámara de reparación que conduce el agua hacia el conducto adecuado según el

gasto.

4.6 APLICACIÓN:

En instalaciones hidráulicas en edificios

La aplicación más común de los sifones es en los desagües de fregaderos, lavabos,

inodoros, etc. Para evitar que el mal olor de las cañerías ascienda por los desagües.

Consiste en un tubo en forma de "S" tumbada, de manera que, al desaguar, se llena la

primera curva del tubo y la segunda actúa como un sifón, vaciando la primera hasta

que el nivel de agua baja y entra algo de aire. En este momento, el sifón deja de

funcionar y retrocede el agua que está en la parte ascendente entre las dos eses,

llenando la primera curva del tubo y aislando el desagüe de los gases de la cañería.

Actualmente, se suelen llevar todos los desagües a un sifón común, llamado "bote

sifónico".

En aparatos electrodomésticos

La toma de lejía y suavizante de las lavadoras suele ser un sifón. El suavizante está en

su cubeta y no alcanza la parte superior del sifón, pero cuando se abre la válvula de

entrada de agua, el nivel sube, comenzando el sifonamiento, que no se interrumpe

hasta haber vaciado el depósito de suavizante.

El sifón es la parte de la tubería de desagüe de los lavabos y fregaderos que se

obstruye con más facilidad.

Este elemento esencial de fontanería está formado por un tubo en forma de 's' acostada

que lleva un tapón enroscado en la parte más baja.

Como descargador de seguridad en canales

Aprovechando las características hidráulicas de los sifones, estos son más eficientes

que los vertederos libres para descargar el agua que, por alguna maniobra equivocada

aguas arriba, podría desbordarse de un canal provocando cuantiosos daños a las

estructuras, por ejemplo, de canales de riego.

Para alimentar surcos de riego

Es un sistema bastante utilizado puesto que permite retirar el agua desde el canal

terciario de riego sin dañar el canal mismo, que generalmente es de tierra.

Generalmente estos sifones son de PVC flexible, de un diámetro de entre 2" y 3".

Para atravesar depresiones en el terreno

En esta aplicación en realidad se utiliza lo que comúnmente se llama sifón invertido. Si un

canal se encuentra a su paso con una depresión del terreno natural que obligaría a construir un

terraplén muy elevado, muy frecuentemente es más conveniente interrumpir el canal con un

tubo en forma de "U", atravesando así la depresión y retomando luego el canal cuando el

terreno vuelve a tener una cota adecuada. En este caso el funcionamiento hidráulico se basa

simplemente en el "principio de los vasos comunicantes.

En el proyecto de obras de Red para el transporte de Aguas Sanitarias, la topografía local

puede exigir la ejecución de obras especiales denominadas Sifones Invertidos dada la

necesidad de superar obstáculos como, quebradas, ríos, canalizaciones de aguas pluviales,

aductoras, cruce de túneles subterráneos (metros), etc.

V PARTE EXPERIMENTAL

SIFÓN:

VI CÁLCULOS Y RESULTADOS

CONSIDERACIONES:

Flujo permanente(estado estacionario)

No hay transferencia de calor.

Dado que es un sistema abierto, las presiones en A y B son iguales a la presión

atmosférica.

Ejemplo de sifón:

En este sifón, el agua fluye hacia arriba por la entrada de la manguera, supera el borde del

cubo, y sale por el extremo abierto. La acción de los sifones se debe a las fuerzas de atracción

entre las moléculas de agua y a la gravedad terrestre.

BALANCE DE MASA:

∬ 𝜌(�̅�. �̅�)𝑑𝐴

𝑠𝑐+

𝜕

𝜕𝑡∭ 𝜌𝑑𝑉

𝑣𝑐= 0

𝜕

𝜕𝑥∭ 𝜌𝑑𝑉

𝑣𝑐= 0

Integrando

𝜌1𝑣1𝐴1 = 𝜌2𝑣2𝐴2

BALANCE DE ENERGIA:

𝛿𝑄

𝛿𝑡−

𝛿𝑊𝑠

𝛿𝑡= ∬ (𝑒 +

𝑃

𝜌) 𝜌(�̅�. �̅�)𝑑𝐴

𝑆𝐶+

𝜕

𝜕𝑡∭ 𝑒𝜌𝑑𝑉

𝑉𝐶+

𝛿𝑊𝑢

𝑑𝑡

∬ (𝑒 +𝑃

𝜌)𝜌(�̅�. �̅�)𝑑𝐴

𝑆𝐶= 0

𝑔𝑦2 +𝑉2

2

2+ 𝑢2 +

𝑃2

𝜌2− 𝑔𝑦1 −

𝑉12

2− 𝑢1 −

𝑃1

𝜌1= 0

Si 𝜌 = 𝑐𝑡𝑒 por ser fluido incomprensible

𝑔(𝑦2 − 𝑦1) +𝑉2

2 − 𝑉12

2+ 𝑢2 − 𝑢1 +

𝑃2 − 𝑃1

𝜌= 0

Dividiendo g

(𝑦2 − 𝑦1 ) +𝑉2

2−𝑉12

2𝑔+ ℎ𝑓 +

𝑃2−𝑃1

𝛾= 0 … (α)

Aplicamos para A y C siendo 1=A y 2=C:

𝑦𝑐 − 𝑦𝐴 +𝑉𝐶

2 − 𝑉𝐴2

2𝑔+ ℎ𝑓 +

𝑃𝐶 − 𝑃𝐴

𝛾= 0

𝑦𝑐 = 0

𝑦𝐴 = 4.23

𝑉𝐴 = 0

𝑉𝐶 =

𝑄

𝐴=

2.0128 × 10−4

𝜋𝜙2

4

= 0.7061𝑚

𝑠

𝑃𝐶 − 𝑃𝐴 = 𝑃𝑎𝑡𝑚

ℎ𝑓 =?

−4.23 +0.70612

2(9.81)+ ℎ𝑓 = 0

ℎ𝑓 = 4.20𝑚

Si: 𝐿𝐴𝐵 = 1.377𝑚 y 𝐿𝐵𝐶 = 13.623𝑚

Si: 𝑓

𝐷

𝑉 2

2𝑔= 0.28

ℎ𝑓𝐴𝐵 = 0.3856

ℎ𝑓𝐵𝐶 = 3.814

Aplicando la ecuación α entre A y B siendo 1=A y 2=B

𝑦𝐵 − 𝑦𝐴 +𝑉𝐵

2 − 𝑉𝐴2

2𝑔+ ℎ𝑓𝐴𝐵 +

𝑃𝐵

𝛾𝐻2𝑂−

𝑃𝐴

𝛾𝐻𝑔= 0

𝑦𝑐 = 0

𝑦𝐴 = 4.23

𝑉𝐴 = 0

𝑉𝐶 =

𝑄

𝐴=

2.0128 × 10−4

𝜋𝜙2

4

= 0.7061𝑚

𝑠

𝑃𝐶 − 𝑃𝐴 = 𝑃𝑎𝑡𝑚

ℎ𝑓 =?

−4.23 +0.70612

2(9.81)+ ℎ𝑓 = 0

ℎ𝑓 = 4.20𝑚

Si 𝐿𝐴𝐵 = 1.377𝑚 y 𝐿𝐵𝐶 = 13.623𝑚

Si 𝑓

𝐷

𝑉 2

2𝑔= 0.28

ℎ𝑓𝐴𝐵 = 0.3856

ℎ𝑓𝐵𝐶 = 3.814

Aplicamos la ecuación α entre A y B siendo 1=A y 2=B

𝑌𝐵 = 0.927

𝑌𝐴 = 0

𝑉𝐵 = 𝑉𝐶 = 0.7061 𝑚/𝑠

𝑉𝐴 = 0

𝑃𝐴 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 520𝑚𝑚𝐻𝑔

ℎ𝑓𝐴𝐵 = 0.3856

𝛾𝐻2𝑂 = 999.15 𝑘𝑔/𝑚3

𝛾𝐻𝑔 = 13.6

𝑃𝐴

𝛾𝐻𝑔= 7072𝑚𝑚𝐻2𝑂 = 7.072𝑚𝐻2𝑂

0.927 +0.70612

2(9.81)+

𝑃𝐵 − 7.072

𝛾𝐻2𝑂+ 0.3856 = 0

𝑃𝐵

𝛾𝐻2𝑂= 5.734𝑚

𝑃𝐵 = 5729.11 𝑘𝑔/𝑚2

Para hallar la Hmáx aplicamos la ecuación α

𝑌𝐵 − 𝑌𝐴 +𝑉𝐵

2−𝑉𝐴2

2𝑔+

𝑃𝐵−𝑃𝐴

𝛾+ ℎ𝑓𝐴𝐵 = 0

𝑌𝐴 = 0

𝑉𝐵 = 0

𝑉𝐴 = 0

𝑃𝐴 = 520𝑚𝑚𝐻𝑔

𝑃𝐴 = 12.788𝑚𝑚𝐻𝑔

ℎ𝑓𝐴𝐵 = 0

𝑃𝐴

𝛾𝐻𝑔= 520𝑚𝑚𝐻𝑔 × 13.6 = 7.072𝑚𝐻2𝑂

𝑃𝐴

𝛾𝐻𝑔= 12.788𝑚𝑚𝐻𝑔 × 13.6 = 0.174𝑚𝐻2𝑂

𝐻𝑚á𝑥 = 7.072 − 0.174

𝐻𝑚á𝑥 = 6.898

VII DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Los resultados obtenidos en la experimentación no son tan exactos ya que durante la

experimentación hubo varios factores que varían, y también porque los datos

obtenidos o los instrumentos con los que se midieron no nos proporcionan datos

completamente precisos, es por ello que en la realización de los cálculos se toman

medidas estándares, las cuales no varían mucho con la realidad.

Durante la experimentación hubo errores instrumentales y errores de observación, pero

para la realización de los cálculos se utilizaron los datos más precisos y exactos que se

obtuvieron.

En un sifón de agua colocado entre dos recipientes en contacto con la atmósfera, la

altura del sifón sobre el recipiente superior debe ser menor de 10 m, ya que la presión

atmosférica no puede mantener el peso de una columna de agua superior a esta altura.

VIII CONCLUSIONES

Se utilizó la ecuación de BERNOULLI en el sifón y se halló la altura

máxima: 𝐻𝑀Á𝑋 = 6.898𝑚

Se logró determinar el caudal para un tiempo y un volumen de salida siendo

esta 2.0128 × 10−4𝐿𝑡/𝑠.

Se halló la velocidad de del fluido para una determinada altura la cual

es. 0.7061 𝑚/𝑠

Se logró determinar las pérdidas totales en la manguera producidas por fricción

siendo esta = 4.1996

Se determinó la presión absoluta en el vértice del sifón la cual es 5729.11 𝑘𝑔/

𝑚2.

IX BIBLIOGRAFIA

- OCON TOJO, “Problemas de Ingeniería Química”, cuarta edición.

- J. R. WELTY “Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa”,

primera edición. Editorial Limusa, México 1985.

- WHITE, F.M. “Mecánica de fluidos”, Editorial Mc Graw Hill.

- Biblioteca de Consulta Microsoft, Encarta 2004.

X ANEXOS Practica de sifón: