1 DISEÑO DE UN SIFON NORMAL
I.
INTRODUCCION El hombre en su afán de satisfacer sus necesidades básicas necesita agua, pero a veces el líquido elemental para la vida no se encuentra disponible con facilidad, es así que en su afán de supervivencia, el hombre con el estudio de la mecánica de fluidos y su aplicación de esta ha descubierto propiedades de fluidos con los cuales ha desarrollado estructuras, las cuales llamamos hidráulicas que nos permiten salvar obstáculos que no permitían que el ser humano tenga agua. El sifón es una de estas estructuras hidráulicas que permite conducir un líquido desde un nivel de cota topográfica alta hasta un punto más bajo; pero atravesando puntos más altos que los del nivel de entrada.
II. OBJETIVOS
Diseñar hidráulicamente un sifón de normal.
III. MARCO TEORICO 3.1. DESCRIPCION Y FUNCIONAMIENTO Como vimos en la introducción el sifón es una estructura hidráulica que conduce agua a través de obstáculos tales como, ríos, cerros pequeños, canales, depresiones. Podemos diferenciar dos tipos de sifones de acuerdo a su funcionamiento: funcionamiento: Sifón normal, sifón invertido.
Sifon normal
Sifón invertido
El sifón normal normal llamado simplemente simplemente sifón sifón por la mayoría mayoría de los autores conduce él agua pasando sobre el obstáculo como - se ilustra en la figura y su funcionamiento se debe a la presión
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atmosférica que actúa en la superficie 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 próxima o cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta A, el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en la cresta 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. Un ejemplo muy común de éste tipo de sifones es el empleado por los agricultores para aplicar el agua a los surcos DISEÑO HIDRAULICO
3.2. CALCULO HIDRAULICO Pasando el plano referencial por el extremo de salida de la tubería y aplicando la ecuación de la energía entre la fuente y la sección de salida del conducto.
∑
Condiciones de frontera
(Presiones manométricas) (Flujo permanente) (Plano de referencia) (Flujo permanente) (Velocidad en cualquier sección del conducto (Flujo turbulento)
Sustituyendo las condiciones de frontera en la ecuación de la energía y teniendo en cuanta además que el término de pérdidas por fricción y las singulares, se llegan a la siguiente expresión.
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( )
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= Desnivel entre la fuente y el extremo de salida = Caudal de diseño = Gravedad terrestre = Diámetro del sifón = Longitud del sifón = Factor de fricción de Darcy = Suma de coeficientes de pérdidas en accesorios del sifón.
Aplicando la ecuación de la energía entre la fuente y la sección crítica “c” de presiones negativas.
∑
En la fuente se tiene las mismas condiciones de frontera, sólo que
ahora
consideramos
presiones
absolutas
para
compatibilizar con la presión de vapor del líquido que tiene valor absoluto. Reemplazando estas condiciones en la ecuación de la energía y despejando la presión crítica del punto c.
( ) ()
= Presión absoluta en la sección crítica c = Presión barométrica = Desnivel entre la fuente y la sección crítica c = Caudal del diseño del sifón = Gravedad terrestre = Diámetro del sifón = Longitud de la tubería desde la entrada hasta la sección crítica c. = Suma de coeficientes de accesorios desde la entrada hasta la sección crítica c.
Con la ecuación 1, se determina el diámetro en concordancia con el flujograma de la tubería simple y luego se verifica la presión en la sección crítica con la ecuación 2. Pues la presión
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en la sección crítica no deberá ser menor que la presión de vapor del líquido, para controlar el fenómeno de cavitación. En el caso de sifón, la fuente de energía externa lo constituye la presión atmosférica local para el tramo de ascenso y la carga hidráulica para el ramal de descenso. Los accesorios imprescindibles en el sifón normal son: una pichincha, constituida por una coladera y una válvula check o de pie; un tapón de cebado en la parte más alta, una válvula de aire y una válvula de compuerta o de purga.
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IV. DISEÑO DEL SIFÓN 4.1.
Croquis del sifón
Nota: las unidades están en metros 4.2.
Datos de campo a. Caudal (Q) Volumen (lts) 20
Tiempo (seg)
Caudal (lts/seg)
20.5
0.9756
20
20.79
0.9620
20
20.85
0.9592
20
21.46
0.9320
20
20.45
0.9780
PROMEDIO
0.9614
Por lo tanto el caudal es de 0.9414 lts/segundo. Con fines prácticos, utilizaremos el caudal en metros cúbicos por segundo. Entonces:
⁄
b. Tubería La tubería que utilizaremos para nuestro sifón es de P.V.C. Las dimensiones de las tuberías las presentamos a continuación
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Tramo
Longitud (m)
1 – 2
2.45
2 – C
0.28
C – 3
0.27
3 – 4
8.25
TOTAL
11.25
c. Accesorio de tuberías
Válvula de globo
Dos codos de 90º
Adaptadores
Una té
Tapón macho de 1” y ½”
) Según el croquis, tenemos:
d. Diferencia de alturas (
e. Otros datos:
4.3.
La presión atmosférica es:
La temperatura de diseño será: 15 °C – 20 °C
CALCULOS a. Calculo del diámetro: Asumimos:
Tubería corta: es decir K=0
Carga de velocidad despreciable
Aplicamos la ecuación:
Despejado diámetro, tenemos
Asumiendo f=0.020
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Tenemos
Aplicamos Reynolds
La rugosidad es:
Aplicando el diagrama de Moody Tenemos que f=0.0195 Como no coincide hacemos la iteración nuevamente con el nuevo f Entonces tenemos que el diámetro nuevo es:
Aplicamos Reynolds
La rugosidad es:
En el diagrama de Moody es:
Entonces tenemos que el diámetro es:
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El diámetro se encuentra entre los diámetros comerciales de:
Tomamos el de ¾”
b. Verificación de perdidas locales para D=3/4”
Cantidad Ki Elemento Válvula de globo 1 0.05 Codo de 90° 1 0.8 Codo 45° 1 0.8 Unión 1 0.3 Te de paso 1 0.9 Válvula check 1 12.03 Por entrada 1 0.86 Por salida 1 1 TOTAL 18.84 Pérdidas de carga menores o singulares
Reemplazando datos tenemos:
c. Pérdidas por fricción
Aplicando la ley de Darcy – Weisbach Aplicamos esta fórmula por ser un diámetro menor a 2”
Reemplazando datos: Como hL > hf
Deducimos que es una tubería corta, por lo que tenemos que aumentar el diámetro a 1”
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d. Para diámetro de 1” Hallamos el número de Reynolds
Su rugosidad relativa es: Del diagrama de Moody, se obtiene: Pérdidas locales para D= 1”
Cantidad Elemento Válvula de globo 1 Codo de 90° 1 Codo 45° 1 Unión 1 Te de paso 1 Válvula check 1 Por entrada 1 Por salida 1 TOTAL
Ki 0.05 1.4 1.4 0.3 0.9 13.32 0.87 1 19.24
e. Cavitación
( ) ()
Reemplazando datos:
( ) () ()
()
Calculando la presión de vapor de agua:
Como:
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()
10 DISEÑO DE UN SIFON NORMAL
() ()
No existe fenómeno de cavitación
V. CONCLUSIONES
Conocimos en campo el funcionamiento de un sifón normal.
Dicho sifón no presenta problemas de cavitación.
Para
mejores
resultados
trabajar
con
un
ideal
flujo
permanente.
Es necesario contar con una válvula check a la entrada del sifón.
VI. RECOMENDACIONES
Realizar limpieza a donde desfoga el sifón
Verificar el tanque de agua, para tener un correcto funcionamiento del sifón
VII. BIBLIOGRAFÍA
Sotelo Ávila, Gilberto. Hidráulica General. Limusa Noriega editoriales. Mexico. 1997.
GILES, Ranald V. Mecánica de los fluidos e hidráulica. Editorial Mc Grawn – Hill.
ROCHA FELICES, Arturo. Hidráulica de tuberías y canales.
ORTIZ VERA, Oswaldo. Mecánica de fluidos II.
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PANEL FOTOGRÁFICO
FOTO 01: Primera medida del caudal
FOTO 02: Segunda medida del caudal
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FOTO 03: Tercera medición del caudal
FOTO 04: Cuarta medición del caudal del sifón
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