Sifon
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y
Views 267 Downloads 5 File size 299KB
Recommend stories
- Categories
- Vacío
- Bomba
- Tecnologías de gas
- Presión
- Mecánica de fluidos
Citation preview
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGIA
UN INGENIERO QUÍMICO UNA EMPRESA
061B –FLUJO DE FLUIDOS SIFON
Docente
:
Alumnos
:
Ing. PASCUAL GUEVARA YANQUI
ARGUMEDO SOLÓRZANO, Deysi M. CONTRERAS VEGA, Manuel I. LAPA MORALES, Yulisa LOPEZ SUAREZ, Sanddy L.
Alumnos del 6º semestre Sección A
Huancayo, Julio del 2008
INTRODUCCION El sifón es un tubo con forma de U invertida en el que fluye un líquido subiendo en su primera mitad, impulsado por una fuerza exterior, y bajando en la otra, y funciona siempre que el punto de entrada esté por encima del de salida: es decir, tiene que haber un cierto desnivel entre los
puntos
inicial
y
final
que
permita
compensar
el
rozamiento; este es el principio de los vasos comunicantes. La palabra, en último término, es de origen griego. El sifón se usa para pasar líquidos de un envase a otro, de modo que
la palabra
se usa
también para
indicar tubos
especializados en succión. El agua así asciende hasta el nivel inicial. Los sifones pueden ser empleados tanto para riego, alcantarillado,
o
para
agua
potable.
Para
este
caso
emplearemos la ecuación de la conservación de la energía o de Bernoulli, para lo cual hemos cuantificado, para el diámetro de nuestra manguera, todas las pérdidas de carga hidráulica
desde
conducto,
cambios
el
inicio
de
hasta
dirección,
el
final,
fricción,
entrada
al
cambios
de
sección, salida del conducto, y finalmente por transición de salida,
luego hay
que restarlas
a la
diferencia de
alturas del agua entre la entrada y la salida del sifón, para revisar si se cumple la ecuación de Bernoulli, hasta encontrar el diámetro que satisfaga las condiciones caudal que definan el problema.
de
OBJETIVOS Determinar la potencia de la bomba en estudio. Calcular la altura máxima de la Bomba y las perdidas de los accesorios. Calcular la altura máxima del sinfón
MARCO TEORICO
BOMBAS Una bomba centrífuga es uno de los tipos
más simples de
equipo en cualquier planta del proceso. Su propósito es convertir energía de un primer elemento (un motor eléctrico o turbina) primero en velocidad o energía cinética y luego en energía de presión de un fluido que está bombeándose. Los cambios de energía ocurren en virtud de dos partes principales de la bomba, el impulsor y el en espiral o difusor.
El
impulsor
es
la
parte
que
esta
girando
y
convierte la energía de la máquina en energía cinética. El en
espiral
o
el
difusor
es
la
parte
estacionaria
que
convierte la energía cinética en energía de presión. Algo que siempre debe recordarse es que una bomba no crea presión, esta solamente proporciona flujo. La presión es solamente una indicación de la resistencia al flujo.
FIG. 1
VELOCIDAD ESPECÍFICA
Las rango
bombas de
centrífugas
diseños
son
hidráulicos.
producidas Para
en
un
amplio
categorizar
estos
diseños se usan dos conceptos. El primero de estos es la velocidad específica, designada como NS.
………………1 donde
N
= RPM Q = caudal total H = columna desarrollada
En su forma original, NS, fue adimensional, pero el uso convencional de las unidades convenientes requiere que las unidades sean identificadas (ya sea gal/min y pies o m3/h y m). NS se calcula a partir de la operación al BEP (máxima eficiencia) con impulsor de diámetro máximo (para bombas de succión simple, Q es el flujo total; para doble succión es la mitad).
FIG. 2
Apreciando
FORMA DEL IMPULSOR VERSUS VELOCIDAD ESPECÍFICA
como
las
características
de
columna
desarrollada y potencia varían con la velocidad específica, se puede notar lo siguiente a partir de la Fig. 4
La columna disminuye mas bruscamente a medida que se incrementa la
velocidad específica.
A bajas
velocidades
específicas las características de columna son iguales o con
poca
inclinación,
mientras
que
a
altas
velocidades
especificas la columna disminuye mucho antes que el BEP.
FIG. 3
VARIACIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS CON LA VELOCIDAD ESPECIFICA
EFICIENCIA DE LA BOMBA La eficiencia es un dato del fabricante dado en las características de operación de la bomba. Para
procesos
en
operación,
la
midiendo la energía consumida BHP)
y
calculando
la
eficiencia
se
evalúa
a
(suministrada a la bomba o
energía
neta
necesaria
para
el
bombeo o caballaje de liquido (LHP) Para estimados preliminares se puede estimar la eficiencia en función de la velocidad específica y el caudal según se muestra en la Fig. 8, con lo cual se puede determinar la energía necesaria para la operación POTENCIA SUMINISTRADA Las vapor o
bombas
centrífugas
con motor
suministrada
pueden
eléctrico. En
operar
con
cada caso
turbina
la
a
potencia
a la bomba (o BHP) se evalúa de acuerdo a la
Eficiencia de la bomba
Potencia
suministrada Potencia
(o BHP)=
desarrollada
(o LHP)
Donde ;Potencia desarrollada
=
potencia que la bomba
debe transmitir al liquido durante el bombeo, kW en el SI (HP en el sistema inglés
denominándose también caballaje
de liquido o LHP) Potencia suministrada =
potencia que el motor o turbina
debe suministrar a la bomba, kW en el SI (HP en el sistema inglés denominándose también caballaje de freno o BHP) Eficiencia de la bomba = es dato del
o eficiencia mecánica de la bomba
fabricante o estimado de acuerdo a la Fig. 8
SIFÓN Conducto cerrado, una parte del cual está por encima de la línea piezométrica. Esto produce una presión menor que la atmosférica en esta porción, y por lo tanto se requiere la creación de un vacío parcial para que empiece el flujo. El sifón utiliza la presión atmosférica para producir o incrementar el flujo de agua que transporta. Puede aparecer naturalmente en regiones kársticas. Un sifón es un sistema hidráulico compuesto por un recipiente del fondo del cual sale un tubo por arriba, pero que luego cae en forma de U invertida, hasta un nivel inferior al piso del recipiente. De acuerdo con la fórmula de la columna hidráulica, si el sistema está totalmente lleno de líquido, el peso de la parte externa del tubo (más larga) será mayor que el de la parte interna (más corta); lo cual generará una presión
superior igual a la diferencia de niveles entre el líquido en el interior el recipiente y la salida exterior del tubo. Esa diferencia de presiones es la que hace que se venza el peso de la columna interior, determinando que el líquido suba y sea arrastrado a salir del recipiente. Para que un sifón funcione, es indispensable por tanto que el tubo sea llenado totalmente de líquido, y llevado su extremo a un nivel inferior al del recipiente de salida. En tal
caso,
se
dice
que
el
sifón
se
encuentra
cebado.
Asimismo, es indispensable que por la entrada del tubo no penetre aire, por cuanto en tal caso se vaciaría el líquido del sistema de vasos comunicantes que constituye el sifón.
FIG. 4
El agua así ascendía hasta el nivel inicial (aunque, como se ha dicho, debían prever un cierto desnivel para compensar
la
fricción
de
la
tuberías
y
el
agua).
La
construcción del venter compensaba o disminuía la presión estática dentro de la tubería (que depende de la altura de la columna de agua dentro de ella). Además debían tener en cuenta,
en
las
operaciones
de
drenaje
y
limpieza
del
sifón, una serie de medidas de precaución para que la nueva
entrada
de
agua
se
hiciera
gradualmente
y
no
destrozara la tubería. No queda claro hasta qué punto los ingenieros romanos conocían estos principios pero el caso es
que
apoyados errores
los en
aplicaron, datos
cometidos,
funcionaron bien.
aunque
empíricos, y
los
con en
intuición
pruebas
aplicaron
con
y
y
tanteo,
ensayos,
eficacia
en
porque
¿FUNCIONARÍA EL SIFÓN EN EL VACÍO? A la pregunta de «¿Es posible el trasiego de líquido en
el
vacío
mediante
terminantemente:
«
un
sifón?»
¡No,
se
es
suele
responder
imposible!».
Por regla general, la circulación del líquido en el sifón se atribuye únicamente a la presión del aire. Pero esta suposición es un prejuicio «físico». «En un sifón rodeado de vacío el líquido fluye libremente. En principio, el sifón con líquido funciona perfectamente aunque no exista presión del aire» -dice el Prof. R.V. Pol en su libro Introducción a la mecánica y la acústica. ¿Cómo se explicaría, pues, el funcionamiento del sifón sin
atribuirlo
a
la
acción
de
la
atmósfera?
Para
explicarlo, ofrecemos el siguiente razonamiento: la parte derecha del «hilo» de líquido contenido en el sifón es más larga y, por ende, es más pesada, por lo cual arrastra el resto
de
líquido
hacia
el
extremo
largo;
una
cuerda
sostenida mediante una polea ilustra muy bien este hecho.
FIG Nº 5 EXPLICACIÓN EVIDENTE DE CÓMO FUNCIONA EL SIFÓN
Ahora vamos a examinar el papel que la presión del aire desempeña en el fenómeno descrito. ésta sólo asegura que el «hilo» de líquido sea continuo y no salga del sifón. Pero
en
determinadas
condiciones
dicho
«hilo»
puede
mantenerse continuo únicamente merced a la adhesión entre sus moléculas, sin que intervengan fuerzas externas.
FIG. 6
«Por lo general, el sifón deja de funcionar en el vacío, sobre todo cuando en su punto más alto hay burbujas de aire. Pero si en las paredes del tubo no hay restos de aire, al igual que en el agua contenida en el recipiente, y se maneja con cuidado el artefacto, es posible ponerlo a funcionar en el vacío. En este caso la adhesión entre las moléculas de agua garantiza la continuidad de la columna de líquido» (E. Grimsel, Curso de física).
ALGUNAS APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE BERNOULLI La
ecuación
fundamentales de
de
Bernoulli
es
la hidrodinámica;
uno
de
los
pilares
son innumerables
los
problemas prácticos que se resuelven con ella:
Se determina la altura a que debe instalarse una bomba
Es necesaria para el calculo de la altura útil o efectiva en una bomba
Se estudia el problema de la cavitación con ella
Se estudia el tubo de aspiración de una turbina
Interviene
en
el
calculo
de
tuberías
de
casi
cualquier tipo SALIDA
POR
UN
ORIFICIO:
ECUACIÓN
DE
TORRICELLI El depósito de la figura contiene un liquido, y tiene en
la
parte
inferior
un
orificio
(O)
provisto
de
una
a
una
tubería (T) que termina en una válvula (V):
La
superficie
libre
del
deposito
se
mantiene
altura (H) constante con relación al plano de referencia
(Z = 0) gracias a que en el deposito entra un caudal (Q) igual al que sale por la tubería
El
área
de
la
superficie
libre
es
suficientemente grande para que pueda considerarse la velocidad del fluido (V1 = 0)
En el punto 1, la energía geodesica (Z1 = H)
Se despreciaran las perdidas 1
FIG. 7
Ecuación de Torricelli: Apliquemos
entre
los
V = V2 =2gH puntos
1
y
2
Bernoulli: P1/Pg + Z1
+
V21/
=
P2/Pg + Z2 + V22/ 2g
O + H + O = O + O + V22/ 2g
O sea
la
ecuación
de
Porque en 1 y 2 reina la presión atmosférica o barométrica que es igual a O (presión relativa) Esta velocidad:
es igual a la que adquiriría una partícula de fluido al caer
Es
desde una altura H.
independiente
del
peso
especifico
del
fluido.
Es
la
velocidad
teórica
de
salida
en
condiciones ideales
INSTRUMENTACIÓN DE MEDIDA DE VELOCIDADES
Entre los instrumentos para medir la velocidad de un fluido, figura el tubo de Prandtl, cuyo fundamento es la ecuación de Bernoulli. Es
una
piezometrico;
combinación el
de
del
Pitot
tubo mide
de la
Pitot presión
y
un
total,
tubo el
piezometrico mide la presión estática, y el tubo de Prandtl mide
la
diferencia
dinámica. EL EFECTO SIFÓN
entre
las
dos,
que
es
la
presion
FIG. 8
El dibujo representa un sifón que descarga agua por encima de una presa. La altura total en la sección 1 es: H = P1/pg + Z1 + V21/2g
Pero:
P1/pg = 0
Luego
O + Z1 + O = H
V1 = 0
La constante de Bernoulli vale, por tanto:
H = Z1
Al despreciar
en el
perdidas, la
altura total
punto 2
valdrá: H = P2/pg + Z2 + V22/2g Pero P2/pg = 0
Luego O + Z2 + V22/2g = H
V22/2g = H – Z2 V =
2g (H – Z2)
Si el sifón es de sección transversal constante V 2 = V será la velocidad del agua en todo el sifón.
INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIÓN DE VOLÚMENES INSTRUMENTOS VOLUMÉTRICOS: Miden
el
volumen
en
un
intervalo
de
tiempo.
Los
principales se clasifican en:
tanques volumétricos
tanques gravimetricos
contadores de volumen gastado
los dos primeros son los únicos medidores primarios. Entre los contadores de volumen gastado
se distinguen dos
tipos:
contadores construyen
de de
desplazamiento muchos
cámara de medición
tipos;
positivo:
se
rotor
la
el
y
son de un fenol resinico
muy resistente
contadores de turbina: el rotor es igual al de una turbina hidráulica accionada por el mismo caudal
INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIÓN DE CAUDALES Los
instrumentos
caudalimetros
y
son
para un
medir
instrumento
caudales que
mide
se el
llaman flujo
instantáneo. Se pueden medir en flujo cerrado o tuberías o en flujo abierto o canales.
CAUDALIMETROS DE FLUJO CERRADO: Se reúnen en dos grupos: De área de paso constante: es el mas importante, consta
de
un
elemento
deprimogeno
y
un
diferencial.
El
caudal
es
proporcional
cuadrada
la
caída
de
presión.
de
manómetro a
Los
la
raíz
elementos
deprimogenos mas importantes son: - tubo de Venturi: su función es crear diferencia de presiones, consta de tres partes: una convergente, una divergente y otra de sección mínima - toberas de medida: son conductos divergentes en la dirección
del
flujo
que
producen
un
aumento
de
velocidad y una disminución de la presión. - Diafragmas: orificio
es
una
circular
placa
de
metal
concéntrico
con
que el
lleva
eje
de
un la
tubería. De área de paso variable: los mas importantes son los
rotametros,
que
consta
de
un
tubo
cónico
vertical abierto por arriba y abajo un flotador, el cual tiene ranuras inclinadas en su periferia Electromagnéticos De ultrasonido
PARTE EXPERIMENTAL MATERIALES
Modulo para el análisis del bombeo. Probetas Cronometro Flexometro
PROCEDIMIENTO Primero se reconoció el modulo a trabajar.
Conocer las partes del modulo y el sus funciones. Cebar la bomba y verificar la válvula de pie. Llenar de agua el cilindro para proseguir con bombeo. Conectar al fluido eléctrico hacia arriba. Realizar las
mediciones
de
el
para ya llevar agua toda
la
tubería
y
la
altura. Medir el volumen en un cierto tiempo de bombeo para hallar el caudal. Una vez llenado el cilindro de la parte superior se tiene que cebar la manguera. Llevarla uno de los extremos hacia arriba para luego realizar el sifón Para el sifón se realiza, la altura máxima a la que puede funcionar.
CALCULOS REALIZADOS 3cm→
t=14seg
5cm→
t=24seg
7cm→
t=34seg
9cm→
t=44seg
11cm→
t=514seg
Hallando el caudal promedio
Accesorios: Vávula chec
Codo angular
Union universal
Válvula globo
Tee
Hallando la longitud total:
Hallando el númreo de Reynolds:
Para H2O (17º C)
Tubería de hierro galvanizado
Del gráfico de Moody
Bernoulli entre A y B ………..(1) Dividiendo (1) entre la gravedad
CONCLUSIONES
Se determinó la potencia de la bomba Se determino el caudal
Calcular la altura máxima de la Bomba y
las perdidas
de los accesorios Se utilizó la ecuación de BERNOULLI en el sifón.
RECOMENDACIONES
Aunque, como se ha dicho, debemos prever un cierto desnivel para compensar la fricción de las tuberías y el agua.
El
acondicionamiento
del
equipo
al
momento
de
formar
el
Sifón debe compensar o disminuir la presión estática dentro de la tubería (que depende de la altura de la columna de agua dentro de ella).
Debemos
tener
en
cuenta,
en
las
corridas,
una
serie
de
medidas de precaución para que la nueva entrada de agua se hiciera gradualmente y mas no de una forma brusca. Para esto debemos tener en cuenta algunos principios.
Un
criterio
que
hemos
tenido
en
cuenta
para
evitar
la
entrada de aire al interior de los sifones, por remolinos, es
que
en
la
entrada,
el
conducto
debe
estar
sumergido
aproximadamente de un 10% a un 15% de la carga hidráulica por velocidad en ese punto, en nuestro caso lo conectamos al caño para evitar la succión del aire.
Si no queda más alternativa, a la salida puedes controlar el flujo mediante un escalón que provoque que el tubo funcione lleno, y después diseñas una caída. Otra forma de lidiar con el problema es dividir el gasto en dos o más líneas de conducción para diferentes casos de gastos, y alturas de agua, por ejemplo para gasto normal y para gasto con aportes pluviales.
BIBLIOGRAFIA OCON TOJO, “Problemas de Ingeniería Química”, cuarta edición. J. R. WELTY “Fundamentos de transferencia de momento, calor
y
masa”,
México 1985.
primera
edición.
Editorial
Limuse,
ANEXOS
SIFON Y SECO - HÚMEDO. El
siguiente
normalmente.
dibujo
muestra
un
sifón
funcionando