Informe de sifon final
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El documento describe los principios y cálculos de los sifones, dispositivos hidráulicos que se utilizan para transportar líquidos a través de obstáculos. Explica dos tipos de sifones, normal e invertido, y cómo se determina la altura máxima, caudal, velocidad y pérdidas por fricción. El objetivo es estudiar los principios de los sifones e identificar estas variables clave a través de experimentación con un sifón normal.
Informe de sifon final
- 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE QUIMICA, INGENIERIA Y TECNOLOGIA SIFÓN 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
- 2. 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: 6.898푚, 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.
- 3. 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.
- 4. 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. ℎ푇퐸 = 휎1( 2 2푔 푉2 − 2 2푔 푉1 ) Donde: ℎ푇퐸 = Perdida de carga por transicion de entrada 푉1 = Velocidad en el inicio de la transicion 푉2 = Velocidad al final de la transicion
- 5. 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. ℎ푓 = 푓 퐿푉2 2퐷푑 ℎ푓 :perdida de carga por friccion 푓: coeficiente de friccion 퐿: longitud de la tuberia 푉: velocidad del aguaen el conducto 퐷: 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. ℎ푇퐸 = 휎2( 2 2푔 푉3 − 2 2푔 푉4 )
- 6. Donde: ℎ푇퐸 = Perdida de carga por transicion de salida 푉3 = Velocidad en el inicio de la transicion 푉4 = 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´ ∝ 푚푎푥푖푚표___________22° − 30´ ∝ 푚푖푛푖푚표 ___________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. 푧1 + 푃푎푡푚표푠푓푒푟푖푐푎1 훾 + 2 2푔 푉1 = 푧푇 + 푃푎푡푚표푠푓푒푟푖푐푎푇 훾 + 2 2푔 푉푇 푇 + Σ ℎ푝 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. 푃푎푡푚표푠푓푒푟푖푐푎1 훾 = 푧푇 − 푧1 + 푃푎푡푚표푠푓푒푟푖푐푎푇 훾 + 2 2푔 푉푇 푇 + Σ ℎ푝 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: 푃푎푡푚표푠푓푒푟푖푐푎1 훾 푙푢푔푎푟 = 10.33 − 1.2 ∗ 푎푙푡푖푡푢푑 푑푒푙 푙푢푔푎푟(푚) 1000
- 7. Despejando la altura de ascenso 푧푇 − 푧1 se tiene que la altura de ascenso del sifón por encima de la línea estática, debe ser menor que presión atmosférica del lugar. 푧푇 − 푧1 = 푃푎푡푚표푠푓푒푟푖푐푎1 훾 − 푃푎푡푚표푠푓푒푟푖푐푎푇 훾 − 2 2푔 푉푇 푇 − Σ ℎ푝 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. 2 푧1 = 푧2 + Σ ℎ푝 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.
- 8. 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. 푉푚푖푛푖푚푎____________3.0푚/푠 푉푚푎푥푖푚푎____________1.5푚/푠 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".
- 9. 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.
- 10. 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.
- 11. BALANCE DE MASA: ∬ 휌(푣̅. 푛̅)푑퐴 푠푐 + 휕 휕푡 ∭ 휌푑푉 푣푐 = 0 휕 휕푥 ∭ 휌푑푉 푣푐 = 0 Integrando 휌1푣1퐴1 = 휌2푣2퐴2 BALANCE DE ENERGIA: 훿푄 훿푡 − 훿푊푠 훿푡 = ∬ (푒 + 푃 휌 ) 휌(푣̅. 푛̅)푑퐴 푆퐶 + 휕 휕푡 ∭ 푒휌푑푉 푉퐶 + 훿푊푢 푑푡 ∬ (푒 + 푃 휌 ) 휌(푣̅. 푛̅)푑퐴 푆퐶 = 0 푔푦2 + 2 2 푉2 + 푢2 + 푃2 휌2 − 푔푦1 − 2 2 푉1 − 푢1 − 푃1 휌1 = 0 Si 휌 = 푐푡푒 por ser fluido incomprensible 푔(푦2 − 푦1) + 2 − 푉1 푉2 2 2 + 푢2 − 푢1 + 푃2 − 푃1 휌 = 0 Dividiendo g (푦2 − 푦1 ) + 2−푉1 푉2 2 2푔 + ℎ푓 + 푃2−푃1 훾 = 0 … (α) Aplicamos para A y C siendo 1=A y 2=C: 푦푐 − 푦퐴 + 2 − 푉퐴 푉퐶 2 2푔 + ℎ푓 + 푃퐶 − 푃퐴 훾 = 0 푦푐 = 0 푦퐴 = 4.23 푉퐴 = 0 푉퐶 = 푄 퐴 = 2.0128 × 10−4 휋휙2 4 = 0.7061 푚 푠 푃퐶 − 푃퐴 = 푃푎푡푚 ℎ푓 =? −4.23 + 0.70612 2(9.81) + ℎ푓 = 0 ℎ푓 = 4.20푚
- 12. Si: 퐿퐴퐵 = 1.377푚 y 퐿퐵퐶 = 13.623푚 Si: 푓 퐷 2 푉 2푔 = 0.28 ℎ푓퐴퐵 = 0.3856 ℎ푓퐵퐶 = 3.814 Aplicando la ecuación α entre A y B siendo 1=A y 2=B 푦퐵 − 푦퐴 + 2 − 푉퐴 푉퐵 2 2푔 + ℎ푓퐴퐵 + 푃퐵 훾퐻2푂 − 푃퐴 훾퐻푔 = 0 푦푐 = 0 푦퐴 = 4.23 푉퐴 = 0 푉퐶 = 푄 퐴 = 2.0128 × 10−4 휋휙2 4 = 0.7061 푚 푠 푃퐶 − 푃퐴 = 푃푎푡푚 ℎ푓 =? −4.23 + 0.70612 2(9.81) + ℎ푓 = 0 ℎ푓 = 4.20푚 Si 퐿퐴퐵 = 1.377푚 y 퐿퐵퐶 = 13.623푚 Si 푓 퐷 2 푉 2푔 = 0.28 ℎ푓퐴퐵 = 0.3856 ℎ푓퐵퐶 = 3.814 Aplicamos la ecuación α entre A y B siendo 1=A y 2=B 푌퐵 = 0.927 푌퐴 = 0 푉퐵 = 푉퐶 = 0.7061 푚/푠 푉퐴 = 0 푃퐴 = 푃푎푡푚 = 520푚푚퐻푔 ℎ푓퐴퐵 = 0.3856 훾퐻2푂 = 999.15 푘푔/푚3 훾퐻푔 = 13.6
- 13. 푃퐴 훾퐻푔 = 7072푚푚퐻2푂 = 7.072푚퐻2푂 0.927 + 0.70612 2(9.81) + 푃퐵 − 7.072 훾퐻2푂 + 0.3856 = 0 푃퐵 훾퐻2푂 = 5.734푚 푃퐵 = 5729.11 푘푔/푚2 Para hallar la Hmáx aplicamos la ecuación α 푌퐵 − 푌퐴 + 푉퐵 2−푉퐴 2 2푔 + 푃퐵−푃퐴 훾 + ℎ푓퐴퐵 = 0 푌퐴 = 0 푉퐵 = 0 푉퐴 = 0 푃퐴 = 520푚푚퐻푔 푃퐴 = 12.788푚푚퐻푔 ℎ푓퐴퐵 = 0 푃퐴 훾퐻푔 = 520푚푚퐻푔 × 13.6 = 7.072푚퐻2푂 푃퐴 훾퐻푔 = 12.788푚푚퐻푔 × 13.6 = 0.174푚퐻2푂 퐻푚á푥 = 7.072 − 0.174 퐻푚á푥 = 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.
- 14. VIII CONCLUSIONES Se utilizó la ecuación de BERNOULLI en el sifón y se halló la altura máxima: 퐻푀Á푋 = 6.898푚 Se logró determinar el caudal para un tiempo y un volumen de salida siendo esta 2.0128 × 10−4퐿푡/푠. Se halló la velocidad de del fluido para una determinada altura la cual es. 0.7061 푚/푠 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 푘푔/ 푚2. 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: