Manual de ensayos de laboratorio de hidraulica, Monografías, Ensayos de Hidráulica
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Manual de ensayos de laboratorio de hidraulica, Monografías, Ensayos de Hidráulica

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Ensayos de hidraulica laboratorio de hidraulica y mecanica de fluidos universidad de la serena
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UNIVERSIDAD DE LA SERENA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES

PROYECTO DE MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

MANUAL DE ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EL

MEJORAMIENTO DE LA ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE

DE LAS ASIGNATURAS DEL ÁREA HIDRÁULICA DEL

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN OBRAS CIVILES.

PROFESOR PATROCINANTE

Ing. Alan Olivares Gallardo

MEMORISTAS

Eduardo Espinoza Cerenic

Pablo Reyes Mella

2

Agradecimientos

3

Resumen

El proyecto de titulación desarrollado tiene por objetivo mejorar y potenciar los

manuales de las experiencias de laboratorio del área de hidráulica mediante la elaboración

de ejemplos y corrigiendo o complementando los contenidos de los manuales existentes.

Para la elaboración del manual de laboratorio primero se realizó un catastro del

equipamiento actual que se encuentra en el Laboratorio de Hidráulica y posteriormente se

realizaron las experiencias de aquellos equipos que no presentaban problemas mientras que

simultáneamente se realizaron las mantenciones de aquellos equipos que presentaban fallas.

Se llevó un registro de los resultados obtenidos en las experiencias y una vez realizadas

cada una de ellas se recopilo la información obtenida en cada ensayo para la confección del

Manual de Ensayos de Laboratorio de Hidráulica.

Lo anterior permitirá que los estudiantes puedan potenciar su aprendizaje y por otra

parte los ayudantes y docentes puedan disponer de un documento complementario, para

reforzar y complementar las asignaturas del área de Hidráulica.

Abstract

The purpose of the degree project is to improve and strengthen the manuals of

laboratory experiences in the area of hydraulics by preparing examples and correcting or

complementing the contents of existing manuals.

For the elaboration of the laboratory manual, first a cadastre of the current

equipment of the Hydraulics Laboratory was made, and afterwards the experiences of those

equipments that did not present problems were carried out while simultaneously the

maintenance of those equipment that presented failures was carried out. A record of the

results obtained in the experiences was kept and once each of them was carried out, the

information obtained in each test was compiled for the preparation of the Hydraulic

Laboratory Testing Manual.

The above will allow students to enhance their learning and on the other hand the

assistants and teachers will have a complementary document to reinforce and complement

the subjects of the area of Hydraulics.

4

1.CAPITULO I .......................................................................................................... 12

1.1. Introducción ........................................................................................................... 12

1.2. Objetivos ................................................................................................................ 13

1.2.1. Objetivo general ............................................................................................. 13

1.2.2. Objetivos específicos ...................................................................................... 13

1.3. Listado de experiencias ......................................................................................... 14

1.3.1. Experiencia n°1: “Banco de prueba de pérdida de carga en tuberías” ........... 14

1.3.2. Experiencia n°2: “Panel demostrativo de principios de hidráulica” .............. 14

1.3.3. Experiencia n°3: “Demostrador horizontal del experimento de Reynolds” ... 15

1.3.4. Experiencia n°4: “Canal hidráulico”. ............................................................. 15

1.3.5. Experiencia n°5:”Dispositivo de medición de ariete hidráulico”. .................. 16

1.3.6. Experiencia n°6: “Modelo de demostración de turbina Pelton”. ................... 16

1.3.7. Experiencia n°7: “Banco de demostración de permeabilidad” ...................... 17

1.3.8. Experiencia n°8: “Banco de demostración para Hidrología”. ........................ 17

1.4. Listado de maquinaria ........................................................................................... 19

2.CAPITULO II: MANUAL DE LABORATORIO DE HIDRAULICA ............. 20

2.1.EXPERIENCIA N°1: “CÁLCULO DE PÉRDIDA DE CARGA EN UN

SISTEMA DE TUBERÍAS” .......................................................................................... 21

2.1.1. Introducción ................................................................................................... 22

2.1.2. Marco teórico de la experiencia ..................................................................... 22

2.1.2.1. Flujo en tuberías ......................................................................................... 22

2.1.2.2. Principio de Bernoulli ................................................................................. 23

2.1.2.3. Pérdidas de carga lineales ........................................................................... 24

2.1.2.4. Pérdidas de cargas singulares ..................................................................... 27

2.1.3. Aspectos relevantes de la experiencia ............................................................ 31

2.1.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................... 31

2.1.3.2. Equipos ....................................................................................................... 32

2.1.3.3. Observaciones ............................................................................................. 34

2.1.4. Procedimientos ............................................................................................... 34

2.1.5. Registros ......................................................................................................... 36

5

2.2.EXPERIENCIA N°2: “PANEL DEMOSTRATIVO DE PRINCIPIOS DE

HIDRÁULICA................................................................................................................. 38

2.2.1. Introducción .................................................................................................... 39

2.2.2. Marco teórico de la experiencia ...................................................................... 39

2.2.2.1. Pérdidas de carga lineales. .......................................................................... 39

2.2.2.2. Pérdidas de carga singulares. ...................................................................... 43

2.2.2.3. Placa orificio. .............................................................................................. 46

2.2.2.4. Tubo de Venturi. ......................................................................................... 49

2.2.3. Aspectos Relevantes de la experiencia ........................................................... 51

2.2.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................... 51

2.2.3.2. Equipos ........................................................................................................ 51

2.2.3.3. Observaciones ............................................................................................. 53

2.2.4. Procedimientos ................................................................................................ 53

2.2.4.1. Calibración experimental para tubo Venturi y placa orificio ...................... 53

2.2.4.2. Calculo de pérdida de carga en las singularidades ...................................... 54

2.2.5. Registros ......................................................................................................... 55

2.2.6. Ejemplo ........................................................................................................... 58

2.3.EXPERIENCIA N°3: “DEMOSTRADOR HORIZONTAL DEL

EXPERIMENTO DE REYNOLDS” ............................................................................. 61

2.3.1. Introducción .................................................................................................... 62

2.3.2. Marco teórico de la experiencia ...................................................................... 62

2.3.2.1. El Número de Reynolds .............................................................................. 62

2.3.2.2. Longitud de Estabilización .......................................................................... 64

2.3.3. Aspectos relevantes de la experiencia ............................................................ 64

2.3.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................... 64

2.3.3.2. Equipos ........................................................................................................ 65

2.3.3.3. Observaciones ............................................................................................. 66

2.3.4. Procedimientos ................................................................................................ 67

2.3.4.1. Determinación del tipo de flujo en fluidos .................................................. 67

2.3.5. Registros ......................................................................................................... 68

2.3.6. Ejemplo ........................................................................................................... 69

6

2.4.EXPERIENCIA N°4: “CANAL HIDRAULICO”. ........................................... 70

2.4.1. Introducción ................................................................................................... 71

2.4.2. Marco teórico de la experiencia ..................................................................... 71

2.4.2.1. Flujo en canales abiertos ............................................................................. 71

2.4.2.2. Aforador Parshall ........................................................................................ 77

2.4.2.3. Placa de orificio .......................................................................................... 82

2.4.2.4. Vertedero de pared delgada ....................................................................... 85

2.4.2.5. Flujo a través de compuertas y resalto hidráulico ...................................... 93

2.4.2.6. Eje Hidráulico ........................................................................................... 108

2.4.3. Aspectos relevantes de la experiencia .......................................................... 111

2.4.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................. 111

2.4.3.2. Equipos ..................................................................................................... 112

2.4.3.3. Observaciones ........................................................................................... 116

2.4.4. Procedimientos ............................................................................................. 116

2.4.4.1. Calibración del Vertedero ......................................................................... 116

2.4.4.2. Calibración del Aforador tipo Parshall ..................................................... 116

2.4.4.3. Calculo del coeficiente de descarga en una Placa de orificio ................... 117

2.4.4.4. Calculo de del coeficiente de descarga y caudal en una compuerta con

descarga libre ........................................................................................................... 117

2.4.4.5. Calculo de la energía disipada por el resalto hidráulico ........................... 118

2.4.4.6. Calculo del eje hidráulico de un canal ...................................................... 118

2.4.5. Registros ....................................................................................................... 119

2.4.6. Ejemplo ........................................................................................................ 122

2.5.EXPERIENCIA N°5: “DISPOSITIVO DE MEDICIÓN DE ARIETE

HIDRÁULICO”. ........................................................................................................... 126

2.5.1. Introducción ................................................................................................. 127

2.5.2. Marco teórico de la experiencia ................................................................... 127

2.5.2.1. Golpe de ariete .......................................................................................... 127

2.5.2.2. Ariete hidráulico ....................................................................................... 130

2.5.3. Aspectos relevantes de la experiencia .......................................................... 131

2.5.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................. 131

7

2.5.3.2. Equipos ...................................................................................................... 132

2.5.3.3. Observaciones ........................................................................................... 134

2.5.4. Procedimientos .............................................................................................. 134

2.5.4.1. Rendimiento del ariete hidráulico ............................................................. 134

2.5.5. Registros ....................................................................................................... 135

2.5.6. Ejemplo ......................................................................................................... 136

2.6.EXPERIENCIA N°6: “MODELO DE DEMOSTRACION DE TURBINA

PELTON”. ..................................................................................................................... 137

2.6.1. Introducción .................................................................................................. 138

2.6.2. Marco teórico de la experiencia .................................................................... 138

2.6.2.1. Curva característica de una bomba ........................................................... 138

2.6.2.2. Curva característica de la turbina Pelton ................................................... 139

2.6.3. Aspectos relevantes de la experiencia .......................................................... 140

2.6.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................. 140

2.6.3.2. Equipos ...................................................................................................... 140

2.6.3.3. Observaciones ........................................................................................... 143

2.6.4. Procedimiento ............................................................................................... 143

2.6.4.1. Curva característica de una bomba ........................................................... 143

2.6.4.2. Curva característica y eficiencia de la turbina Pelton ............................... 143

2.6.5. Registros ....................................................................................................... 144

2.7.EXPERIENCIA N°7: “BANCO DE DEMOSTRACIÓN DE

PERMEABILIDAD” .................................................................................................... 146

2.7.1. Introducción .................................................................................................. 147

2.7.2. Marco teórico de la experiencia .................................................................... 147

2.7.2.1. Ley de Darcy: Conductividad hidráulica .................................................. 147

2.7.2.2. Líneas de flujo y superficies equipotenciales ............................................ 149

2.7.3. Aspectos relevantes de la experiencia .......................................................... 151

2.7.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................. 151

2.7.3.2. Equipos ...................................................................................................... 151

2.7.3.3. Observaciones ........................................................................................... 152

2.7.4. Procedimientos .............................................................................................. 152

8

2.7.4.1. Constante de permeabilidad “k” a través de la ley de Darcy .................... 152

2.7.4.2. Visualización de líneas de flujo ................................................................ 153

2.7.5. Registros ....................................................................................................... 155

2.7.6. Ejemplo ........................................................................................................ 157

2.8.EXPERIENCIA N°8: BANCO DE DEMOSTRACION PARA

HIDROLOGIA”. .......................................................................................................... 159

2.8.1. Introducción ................................................................................................. 160

2.8.2. Marco teórico de la experiencia ................................................................... 160

2.8.2.1. Pozo de bombeo y cono de depresión ...................................................... 160

2.8.2.2. Hidrogramas ............................................................................................. 163

2.8.3. Aspectos relevantes de la experiencia .......................................................... 174

2.8.3.1. Alcance y aplicación ................................................................................. 174

2.8.3.2. Equipos ..................................................................................................... 174

2.8.3.3. Observaciones ........................................................................................... 178

2.8.4. Procedimientos ............................................................................................. 178

2.8.4.1. Calculo de la conductividad hidráulica en pozos ..................................... 178

2.8.4.2. Hidrograma unitario ................................................................................. 179

2.8.5. Registros ....................................................................................................... 180

2.8.6. Ejemplo ........................................................................................................ 183

3.CAPITULO III: PAUTA DE EVALUACION .................................................. 186

4.CAPITULO IV: CONCLUSION ........................................................................ 189

Índice de Ilustraciones

Ilustración 1.1: Estanque de acumulación de agua elevado ................................................. 32

Ilustración 1.2 : Líneas experimentales con distintas singularidades ................................... 33

Ilustración 1.3: Estanque N°2 de recepción de agua ............................................................ 33

Ilustración 2.4: Panel demostrativo ...................................................................................... 52

Ilustración 2.5: Tomas de presión ........................................................................................ 53

Ilustración 3.6: Equipo de Reynolds. ................................................................................... 65

Ilustración 3.7: Recipiente graduado en ml. ......................................................................... 66

Ilustración 3.8: Permanganato de potasio. ........................................................................... 66

9

Ilustración 4.9: Placa de orificio ......................................................................................... 112

Ilustración 4.10: Vertedero ................................................................................................. 113

Ilustración 4.11: Limnímetro .............................................................................................. 113

Ilustración 4.12: Canal hidráulico ....................................................................................... 114

Ilustración 4.13: Implementos de medición ........................................................................ 114

Ilustración 4.14: Aforador Parshall ..................................................................................... 115

Ilustración 4.15: Compuerta ............................................................................................... 115

Ilustración 5.16: Ariete hidráulico ...................................................................................... 133

Ilustración 6.17: Turbina Pelton. ........................................................................................ 141

Ilustración 8.18: Equipo de Hidrología ............................................................................... 175

Ilustración 8.19: Estanque de arena .................................................................................... 176

Ilustración 8.20: Válvula de tres vías .................................................................................. 177

Índice de Figuras

Figura 1.1: Balance de energía para dos puntos de un fluido. ............................................. 24

Figura 1.2: Expansión brusca. .............................................................................................. 29

Figura 1.3: Contracción súbita. ............................................................................................ 30

Figura 2.4: Balance de fuerzas en un tramo de tubería ........................................................ 40

Figura 2.5: Expansión brusca. .............................................................................................. 44

Figura 2.6: Contracción súbita. ............................................................................................ 45

Figura 2.7: Placa de orificio panel demostrativo ................................................................. 46

Figura 2.8: Detalle del montaje de la placa orificio ............................................................. 47

Figura 2.9: Tubo de Venturi panel demostrativo ................................................................. 50

Figura 3.10: Esquema ensayo de Reynolds. ........................................................................ 63

Figura 3.11: Flujo laminar. .................................................................................................. 67

Figura 4.12: Régimen de flujo ............................................................................................. 72

Figura 4.13: Energía específica ........................................................................................... 74

Figura 4.14: Curva de energía específica ............................................................................. 75

Figura 4.15: Curva de fuerza específica .............................................................................. 77

Figura 4.16: Esquema canaleta Parshall .............................................................................. 78

10

Figura 4.17: Corte longitudinal placa de orificio ................................................................ 83

Figura 4.18: Vertedero de pared delgada ............................................................................ 85

Figura 4.19: Vertedero rectangular de pared delgada ......................................................... 86

Figura 4.20: Vertedero triangular de pared delgada ............................................................ 88

Figura 4.21: Vertedero trapezoidal de pared delgada ......................................................... 91

Figura 4.22: Flujos a través de una compuerta plana y radial ............................................. 93

Figura 4.23: Tipos de descarga en compuertas ................................................................... 94

Figura 4.24: Flujo a través de una compuerta plana inclinada ............................................ 94

Figura 4.25 Coeficientes de descarga para compuertas planas inclinadas, con descarga libre

.............................................................................................................................................. 97

Figura 4.26: transiciones de régimen subcrítico a supercrítico debidos a cambios de

pendiente .............................................................................................................................. 98

Figura 4.27 Transición régimen supercrítico a subcrítico ................................................. 100

Figura 4.28: Tipos de resalto hidráulico según su posición. ............................................. 102

Figura 4.29 Fuerzas externas que actúan sobre un volumen de control a través de un resalto

hidráulico ............................................................................................................................ 104

Figura 4.30 hidráulico y diagramas E vs y, M vs y, en canales de fondo horizontal ........ 106

Figura 4.31: Tramo de canal para la deducción de los métodos de paso .......................... 109

Figura 7.32: Permeámetro de carga constante .................................................................. 148

Figura 7.33: Superficie equipotenciales y red de flujo ...................................................... 150

Figura 7.34 Red de flujo en una represa. ........................................................................... 151

Figura 8.35 Esquema pozo de bombeo en acuífero libre. ................................................. 161

Figura 8.36: Esquema pozo de bombeo en acuífero confinado. ....................................... 162

Figura 8.37: Hidrograma anual ......................................................................................... 165

Figura 8.38: Hidrograma de una tormenta ........................................................................ 166

Figura 8.39: Hidrogramas unitarios. ................................................................................. 168

Figura 8.40: Tiempo base y proporcionalidad. ................................................................. 169

Figura 8.41: Superposición de hidrogramas ...................................................................... 170

Figura 8.42: Ejemplo hidrograma. .................................................................................... 170

Figura 8.43: hidrograma unitario para d_e=2h.................................................................. 172

Figura 8.44: Hidrograma para una h_pe=10mm. .............................................................. 172

11

Figura 8.45: Superposición de hidrogramas. ..................................................................... 173

Figura 8.46: Dispocision de tubos manométricos y pozos ............................................... 176

Índice de Tablas

Tabla 1 Listado de maquinaria .............................................................................................. 19

Tabla 1.2 Coeficientes de rugosidad de Hazen-Williams para diferentes materiales. .......... 27

Tabla 1.3 Coeficientes de pérdidas de carga k para singularidades ...................................... 28

Tabla 1.4: coeficiente de resistencia (K) para dilataciones súbita. ....................................... 29

Tabla 1.5: Coeficiente de contracción y K ........................................................................... 30

Tabla 1.6: coeficientes de resistencia K para Contracciones súbitas .................................... 31

Tabla 2.7: coeficiente de resistencia (K) para dilataciones súbita. ....................................... 44

Tabla 2.8: Coeficiente de contracción y K ........................................................................... 45

Tabla 2.9: coeficientes de resistencia K para Contracciones súbitas. ................................... 45

Tabla 4.10: Dimensiones canaleta Parshall .......................................................................... 78

Tabla 4.11: Valores de los coeficientes K y n ...................................................................... 80

Tabla 4.12: valores permitidos de sumergencia "S " en los aforos Parshall ......................... 81

Tabla 4.13: Factores de corrección “C” ................................................................................ 82

Tabla 4.14: Clasificación de los resaltos usando el número de Froude .............................. 103

Tabla 4.15 Clasificacion de los escurrimientos y lechos .................................................... 108

Tabla 5.16: Modulo de elasticidad ...................................................................................... 130

Tabla 6.17: Datos de funcionamiento según modelo de la bomba ..................................... 142

Índice de Gráficos

Gráfico 6.1: Curva de funcionamiento .............................................................................. 142

12

1.CAPITULO I

1.1. Introducción

El método de enseñanza de la mayoría de las asignaturas de la carrera de Ingeniería

Civil se basa en clases teóricas, siendo apoyadas por un par de horas de clases de ejercicios,

este método de enseñanza es el más usado en el país, pero eso no significa que sea el más

efectivo, es un método en el que el profesor se convierte en el actor principal, mientras que

los alumnos toman una actitud pasiva, recibiendo los conocimientos suministrados por

aquel. En algunas asignaturas este método no es suficiente para terminar de entender y

aplicar los contenidos transmitidos por el profesor. Con esto nace la necesidad de

complementar lo aprendido en clases de forma teórica, con algo más concreto, como lo son

las experiencias de laboratorio, convirtiendo al alumno en un actor activo y conociendo al

estudiante en su integridad (conocimiento, actitudes y desenvolvimiento), ya que en la

actualidad existen muchos estudios que demuestran que un método de enseñanza activo

mejoran el nivel de interés y aprendizaje del alumno.

Es por esto que las experiencias de laboratorio se vuelven de gran importancia para

el aprendizaje de los alumnos, ya que permite al estudiante observar diversos conceptos de

la hidráulica y aplicar lo aprendido en las horas de clases de cada asignatura en cada uno de

los equipos que se encuentran en el laboratorio. Un ejemplo claro es el caso del canal

hidráulico, el cual permite observar, entre otros elementos, los resaltos hidráulicos que se

generan en un canal.

Dentro de las asignaturas relacionadas al área de la Hidráulica que se encuentran en

la malla curricular, sólo Mecánica de Fluidos I considera y exige la realización de

experiencias de laboratorio dentro de su evaluación, las cuales se desarrollan en los

laboratorios del Departamento de Ingeniería Civil Mecánica, siendo que se encuentra

disponible el Laboratorio de Hidráulica del Departamento de Ingeniería en Obras Civiles

para el desarrollo de estas actividades.

Las demás asignaturas relacionadas al área de la Hidráulica (Mecánica de Fluidos II,

Hidrología e Hidráulica), no contemplan la realización de experiencias de laboratorio en

13

sus contenidos, siendo esta una herramienta esencial para el aprendizaje de los alumnos y

encontrándose disponibles en el laboratorio distintas experiencias aplicables a estas

asignaturas. Para solucionar esta deficiencia, e incluir la realización de experiencias de

laboratorio en la evaluación de las asignaturas, primero se debe contar con un Manual de

Laboratorio que contenga lo necesario para realizar dichas experiencia.

Si bien existe un manual de uso del Laboratorio de Hidráulica actual, en general y

dado que no se ocupan los equipos, se encuentra lejos del alcance de los estudiantes que

deben realizar las actividades de laboratorio, esto debido en parte a que los informes que

componen el manual no son del todo claros y no cuentan con ejemplos que ayuden al

aprendizaje del estudiante, por esto se hace necesario complementar dicho manual mediante

la mejora de los informes de ensayos existentes. Se espera que este nuevo manual sirva de

ayuda al profesor, ayudantes y estudiantes para realizar las experiencias de manera clara y

ordenada, con el fin de que los estudiantes puedan complementar lo visto en clases y

realizar los informes de las experiencias de laboratorio de manera correcta, logrando así que

la ejecución de cada uno de los ensayos sea incluido y exigido en los programas de

contenidos de las distintas asignaturas, que se debe preparar en la etapa de renovación

curricular de las carreras.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

Confeccionar un Manual de ensayos de laboratorio para el mejoramiento del

proceso enseñanza-aprendizaje de las asignaturas del Área de Hidráulica.

1.2.2. Objetivos específicos

Diseñar e implementar procedimientos de las experiencias de laboratorio.

Elaborar formatos para informes de ensayos de laboratorio.

Confeccionar material digital y físico que sirva de apoyo a las actividades de

laboratorio.

Confeccionar pautas de evaluación de informes de experiencias.

14

1.3. Listado de experiencias

El manual de ensayos de laboratorio permite conocer el funcionamiento interno en

lo que respecta a las actividades específicas, requerimientos, implementos y ubicación para

cada una de las experiencias.

A continuación se muestra una breve descripción para cada una de las experiencias

a desarrollar en el manual, en donde se explica el objetivo y el funcionamiento del equipo.

1.3.1. Experiencia n°1: “Banco de prueba de pérdida de carga en tuberías”

La experiencia uno nos permite obtener la pérdida de carga que se produce en una

tubería utilizando la ecuación de Bernoulli en dos puntos de ésta.

Para desarrollar la experiencia el equipo cuenta con un estanque en elevación el cual

se llena con agua que luego se hace circular por una de las 8 tuberías que se encuentran

instaladas, cada una de las tuberías son diferentes entre sí, ya sea por el diámetro, material,

singularidades, etc. Además en cada una de las tuberías se debe instalar un manómetro al

comienzo y al final de ésta para realizar la medición de presión en la tubería que se utilizará

en los cálculos.

Se mide entonces el caudal que fluye por las tuberías de forma directa, es decir,

midiendo el volumen que fluye en un tiempo determinado utilizando un recipiente

graduado y cronometro, y se registra la presión al comienzo y al final del segmento de

tubería. Luego, teniendo los datos necesarios, se plantea la ecuación de Bernoulli y se

obtiene la perdida de carga en la tubería la cual se compara con la obtenida utilizando la

ecuación de Hazen- Williams.

1.3.2. Experiencia n°2: “Panel demostrativo de principios de hidráulica”

La experiencia dos continúa el estudio del flujo en tuberías, pero en este caso se

realiza la calibración de dos medidores de flujo que se encuentran instalados en el panel

demostrativo, una placa orificio y un tubo Venturi. Además se realiza el cálculo de las

pérdidas de carga singulares que se comparan con las medidas experimentalmente.

El equipo presenta una bomba que hace circular el agua por un circuito cerrado de

tuberías que presenta distintas singularidades (Codos, curvas, ensanchamientos y

15

reducciones) y que desemboca en un estanque transparente de acrílico. Entonces, utilizando

el manómetro digital, se realiza la medición de las pérdidas singulares las cuales se

comparan con las obtenidas de las formulas teóricas.

Para la calibración de los medidores de flujo el equipo cuenta con un rotámetro

vertical el cual nos entrega el caudal real que circula por el panel, entonces se realiza la

medición de la pérdida de carga o diferencia de presión en el instrumento (placa orificio o

tubo Venturi) utilizando el manómetro digital, con lo cual se obtiene el caudal teórico que

circula por el instrumento. Una vez obtenidos el caudal real y el teórico se calcula el

coeficiente de descarga del medidor.

1.3.3. Experiencia n°3: “Demostrador horizontal del experimento de Reynolds”

El experimento de Reynolds se utiliza para determinar el tipo de flujo que se

presenta en una tubería, ya sea laminar, de transición o turbulento. Para esto se hace

circular agua por una tubería cuyas dimensiones se conocen y se le introduce un colorante

para visualizar el tipo de flujo que se tiene en la tubería. Se realiza el cálculo del numero

adimensional de Reynolds que también clasifica el tipo de flujo que se tiene en la tubería y

se compara con el flujo que se visualiza con el colorante.

1.3.4. Experiencia n°4: “Canal hidráulico”.

El canal hidráulico consta de 4 instrumentos que permiten medir el caudal que

circula por el canal, los cuales son: Una placa orificio, una compuerta, una canaleta Parshall

y un vertedero triangular. Además la experiencia también permite encontrar el eje

hidráulico del canal de manera experimental y teórica.

Para realizar el cálculo del caudal primero se calibra el vertedero triangular y la

canaleta Parshall para así encontrar la ecuación que permite relacionar una altura de agua

con un caudal circulante. La placa orificio es otro instrumento que permite calcular el

caudal, pero en este caso utilizando una diferencia de presión que se produce antes y

después de la placa debido a la reducción de la sección de la tubería. Para utilizar la placa

orificio fue necesario realizar una mantención al manómetro de mercurio, ya que se

encontraba con aire y con poco mercurio en su interior. Se debe señalar que la utilización

del manómetro de mercurio dificulta bastante la experiencia ya que es bastante impreciso

16

debido a que son mediciones que van desde los 0 a 10 milímetros y los niveles del mercurio

no siempre se encuentran a la misma altura. Debido a esto se recomienda eliminar el

manómetro de mercurio y utilizar el manómetro digital que se encuentra en el laboratorio

realizando las modificaciones correspondientes para su conexión a la placa orificio.

Finalmente la compuerta con descarga libre también permite calcular el caudal que

pasa por debajo de ésta y además produce un resalto hidráulico aguas debajo de la

compuerta el que también será estudiado.

1.3.5. Experiencia n°5:”Dispositivo de medición de ariete hidráulico”.

El ariete hidráulico o golpe de ariete es un fenómeno hidráulico que se origina

debido a una sobrepresión en una tubería cuando se cierra bruscamente una válvula o un

grifo instalado en el extremo de esta. La sobrepresión que se genera puede ser utilizada para

impulsar el agua a una altura mayor a la inicial sin la necesidad de utilizar una bomba o

medios externos de energía.

La experiencia pretende demostrar lo dicho anteriormente, para esto se utiliza una

bomba para elevar agua a un estanque inicial el cual está conectado a una tubería que deja

caer el agua por efecto de la gravedad hasta llegar a una válvula de resorte que se abre y

cierra rápidamente generando un ariete hidráulico en la tubería. Debido al ariete hidráulico

se genera una sobre presión en la tubería que impulsa el agua a un segundo estanque que se

encuentra a una altura mayor que el estanque inicial. Finalmente se realizan los cálculos

para el estudio del ariete hidráulico así como el cálculo de la eficiencia de la bomba de

ariete hidráulico.

1.3.6. Experiencia n°6: “Modelo de demostración de turbina Pelton”.

Para la turbina Pelton primero se busca generar la curva característica de la bomba

que alimenta a la turbina, realizando las mediciones de los manómetros, vacuometros y

medidores de caudal en el equipo y utilizando la ecuación de Bernoulli se logró generar la

curva característica de la bomba. Luego se relaciona el caudal que alimenta a la turbina con

la energía que esta genera medida en el panel eléctrico del equipo.

17

1.3.7. Experiencia n°7: “Banco de demostración de permeabilidad”

La experiencia tiene como objetivo determinar la conductividad hidráulica K

utilizando la ecuación de Darcy para el flujo en un medio permeable, en este caso arena, y

visualizar las líneas de flujo y superficies equipotenciales.

Se debe señalar que la ecuación de Darcy, en su forma más simple, solo se cumple

con el flujo en una sola dirección, debido a esto fue necesario modificar la placa de acero

para que el agua fluyera de forma horizontal por la arena permitiendo así utilizar la

ecuación de Darcy para el flujo en unas sola dirección y asi encontrar la constante K de

permeabilidad o conductividad hidráulica. Una vez encontrada la constante se modifican las

variables del ensayo y se calcula el nuevo caudal que circula por el equipo, se compara

entonces el resultado teórico con el experimental.

Para visualizar las líneas de flujo se introduce tinta en la arena, la cual se desplaza

junto con el agua que fluye a través de la arena generando las líneas de flujo.

1.3.8. Experiencia n°8: “Banco de demostración para Hidrología”.

La experiencia ocho consta de 2 partes, primero se utiliza el equipo para simular un

acuífero libre del cual se extrae un caudal generándose un cono de depresión que se utiliza

para determinar la permeabilidad de la arena. En la segunda parte se utiliza el banco de

arena para simular una precipitación sobre una cuenca para determinar su hidrograma

unitario.

Para realizar la primera parte de la experiencia primero fue necesario limpiar las

piezas en la parte inferior de la bandeja de arena en donde se conectan las mangueras del

panel de tubos manométricos ya que se encontraban tapadas. Luego se realizó la

experiencia en donde se logró calcular un valor para la permeabilidad “k” pero debido a

que las dimensiones de la bandeja son muy pequeñas el valor del resultado encontrado es

mayor al que debería ser para una arena.

Para efectuar el hidrograma primero se debe distribuir la arena para simular una

cuenca, en donde toda el agua converja al centro de la bandeja y luego escurra hacia el

estanque transparente para ser medido. Inicialmente se extraería el agua por los extremos de

la bandeja pero esto no fue posible ya que el agua se acumulaba en la parte inferior de la

18

bandeja, ya que la salida se ubica a un costado y no en la parte inferior de esta, debido a

esto se decidió utilizar uno de los pozos que se encuentran en la parte inferior de la bandeja

para extraer el agua de la cuenca y realizar la experiencia. Finalmente se generó el

hidrograma dando resultados bastantes similares entre la teoría y la experiencia realizada.

Se debe señalar que el equipo de hidrología si bien es una herramienta bastante útil

para explicar algunos conceptos y entender mediante ejemplos las materias vistas en clases,

no es la mejor herramienta para realizar estudios de investigación, ya que las dimensiones

son bastantes pequeñas y la medición utilizando los tubos manométricos también es

bastante imprecisa.

19

1.4. Listado de maquinaria

La tabla 1 muestra el listado de máquinas que se encuentran en el laboratorio y la

asignatura en la que puede ser aplicada para los procesos de enseñanza.

Equipos Asignatura

Banco de prueba de pérdida de carga en

tuberías

Mecánica de Fluidos (*)

Proyectos sanitarios (**)

Panel de demostración de principios de

hidráulica

Mecánica de Fluidos (*)

Hidráulica (*)

Construcciones Hidráulicas y

Marítimas (**)

Demostrador horizontal del experimento de

Reynolds

Mecánica de Fluidos (*)

Canal hidráulico

Hidráulica (*)

Construcciones Hidráulicas y

Marítimas (**)

Dispositivo de medición de ariete hidráulico

Mecánica de Fluidos (*)

Proyectos sanitarios (**)

Modelo de demostración de turbina Pelton

Mecánica de Fluidos (*)

Banco de demostración de permeabilidad

Hidrología (*)

Mecánica de suelos (*)

Fundaciones (*)

Banco de demostración para hidrología

Hidrología (*)

Construcciones Hidráulicas (**)

Tabla 1 Listado de maquinaria

(*) Ingeniería Civil

(**) Ingeniería en Construcción

20

2.CAPITULO II: MANUAL DE

LABORATORIO DE HIDRAULICA

El Manual de Ensayos de Laboratorio constituye una guía para la correcta ejecución

de las experiencias y procedimientos para los equipos que se encuentran en el Laboratorio

de Hidráulica del Departamento de Ingeniería en Obras Civiles, su contenido pretende que

tanto los alumnos como los docentes cuenten con un instrumento formal que indique las

actividades a ser cumplidas y la forma como deben ser realizadas.

La metodología de trabajo para preparar este documento consistió en realizar un

catastro de los equipos y manuales que se encontraban en el laboratorio, realizar la

mantención de los equipos de ser necesario y modificar los manuales existentes agregando

más contenido o modificando el ya existente. Una vez definido el contenido de cada uno de

los ensayos, se realizaron las experiencias y se tomó un registro el cual se muestra a modo

de ejemplo para cada ensayo.

El manual de laboratorio está constituido por 8 equipos, en donde cada una de ellos

cuenta con una a introducción la cual explica el objetivo de la experiencia; marco teórico en

donde se encuentra toda la información necesaria para realizar la experiencia; aspectos

relevantes los cuales explican el alcance que tendrá el ensayo así como sus aplicaciones,

listado de equipos a utilizar en la ejecución del ensayo y observaciones relacionadas al

funcionamiento del equipo; el procedimiento que se debe ejecutar para realizar la

experiencia de manera correcta; los registros que el alumno debe completar y un ejemplo

que facilite la comprensión del alumno y sirva de guía.

Finalmente la recopilación de cada uno de los informes, conforma el Manual de

Ensayos del Laboratorio de Hidráulica el cual será un complemento para las asignaturas del

área de Mecánica de Fluidos e Hidráulica que estará al alcance de los alumnos.

21

UNIVERSIDAD DE LA SERENA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES

2.1. EXPERIENCIA N°1: “CÁLCULO DE PÉRDIDA DE

CARGA EN UN SISTEMA DE TUBERÍAS”

22

2.1.1. Introducción

La experiencia tiene por objetivo calcular la perdida de carga que se produce en

tuberías de distintas características (diámetro, material, largo, etc.), por la cual se hace

circular agua proveniente de un estanque en elevación que desemboca en otro estanque de

recepción. Se utiliza entonces la ecuación de Bernoulli para determinar las pérdidas que se

producen en el trayecto y se comparan con las perdidas obtenidas con la ecuación de

Hazen-Williams.

2.1.2. Marco teórico de la experiencia

2.1.2.1. Flujo en tuberías

El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a

través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya

que esta forma ofrece no solo mayor resistencia estructural sino también mayor sección

transversal para el mismo perímetro mojado que cualquier otra forma. La palabra “tubería”

en este estudio se refiere siempre a un conducto cerrado de sección circular y de diámetro

interior constante.

Las tuberías pueden ser de distintos materiales y poseen un diámetro que es aquel

que define una sección o área para que circule el agua. La relación que se utiliza para

calcular el área disponible para que circule el agua por la cañería es la siguiente:

4

πD A

2

 (1.1)

Donde:

A: área de la sección de la tubería

D: diámetro interior m

A su vez el caudal está en función de la velocidad y del diámetro. La ecuación que

se utiliza para calcular el caudal que circula por una cañería es:

A*vQ  (1.2)

Donde:

23

O bien se puede obtener de la siguiente relación:

T

V Q  (1.3)

)

2.1.2.2. Principio de Bernoulli

El teorema de Bernoulli es una forma de expresión de la aplicación de la ley de la

conservación de la energía al flujo de fluidos en una tubería. La energía total en un punto

cualquiera por encima de un plano horizontal arbitrario fijado como referencia, es igual a la

suma de la altura geométrica, la altura debida a la presión y la altura debida a la velocidad,

es decir

H 2g

v

ρ

p Z

2

 (1.4)

Si las pérdidas por rozamiento se desprecian y no se aporta o se toma ninguna

energía del sistema de tuberías (bombas o turbinas), la altura total H en la ecuación anterior

permanecerá constante para cualquier punto del fluido. Sin embargo, en la realidad existen

pérdidas o incrementos de energía que deben incluirse en la ecuación de Bernoulli. Por lo

tanto, el balance de energía puede escribirse para dos puntos del fluido, según se indica en

el ejemplo de la figura 1.1.

24

Figura 1.1: Balance de energía para dos puntos de un fluido.

Nótese que la perdida por rozamiento en la tubería desde el punto 1 al punto 2 (h),

se expresa como la perdida de altura en metros de fluido. La ecuación puede escribirse de la

siguiente manera:

ΔH 2g

v

ρ

p Z

2g

v

ρ

p Z

2 22

2

2 11

1  (1.5)

2.1.2.3. Pérdidas de carga lineales

El flujo de fluidos en tuberías esta siempre acompañado de rozamiento de las

partículas del fluido entre si y, consecuentemente, por la pérdida de energía disponible, en

otras palabras, tiene que existir una pérdida de presión en el sentido del flujo.

La ecuación general de la pérdida de presión, conocida como la fórmula de Darcy y

que se expresa en metros de fluidos es:

2 52

2

pl Q Dgπ

8fL

2g

v

D

L fh  (1.6)

25

La ecuación de Darcy es válida tanto para flujo laminar como turbulento de

cualquier liquido en una tubería, en donde solo se debe encontrar el valor del factor de

fricción “f” que depende del tipo de flujo que se tenga (laminar o turbulento).

En régimen laminar el factor de fricción depende exclusivamente del número de

Reynolds y se obtiene mediante la siguiente ecuación:

Re

64 flaminar  (1.7)

Para régimen turbulento el factor de fricción depende tanto del diámetro de la

tubería como de la rugosidad relativa del conducto. Esta última es relación entre el

diámetro D, del conducto y la rugosidad promedio ɛ de la pared del conducto. Colebrook y

White presentaron la siguiente formula empírica:

 

  

 

fRe

2,51

3,7D

ξ 2log

f

1 (1.8)

En esta podemos observar que f está en ambos lados de la ecuación, por eso para

poder encontrar el valor de f se debe emplear un procedimiento de tanteo y error, como el

método de iteración de punto fijo.

Ecuación de Hazen – Williams

En el siglo antepasado e inicios del pasado se obtuvieron muchas fórmulas

empíricas, cada una de estas representa un modelo matemático que se aproxima a los

valores de velocidad y fricción obtenidos en el laboratorio, pero no puede asegurarse que

este modelo sea válido por fuera del rango de experimentación. Sin embargo algunas de

estas fórmulas dan resultados aceptables y rápidos dentro de sus rangos. Una de estas

fórmulas fue la propuesta por Hazen y Williams en 1903. Con esta se propuso “corregir” el

inconveniente presentado con la ecuación de Colebrook-White, pues el factor de fricción

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