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Banco Hidráulico de Base H89.8D – Banco
Kit para Experiencias sobre el Teorema Bernoulli y sus implicaciones (Cd. 9!9"##$
%anual &perati'o y Eercicios Didácticos
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H89.8D ) Banco Kit para Experiencias sobre el Teorema Bernoulli y sus implicaciones (Cd. 9!9"##$
%anual &perati'o y Eercicios Didácticos
El presente manual describe las características técnicas y las modalidades operati operativas vas del del sistema sistema didacta didacta H89.8D H89.8D - Banco Banco Kit para Experien Experiencia ciass sobre sobre el Teorema Bernoulli y sus implicaciones !"d. 9#9$%%&' permitiendo al docente o al estudiante conocer per(ectamente el )rupo y sus posibilidades aplicativas. *dem+s' se ilustran al)unos interesantes e,ercicios did+cticos listos para su inmediata e,ecuci"n en laboratorio.
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31/03/09 I"ri"ido en Italia 6 31/03/09 Code 02078 ,0506
6 ,d ition 01
- e(ision 01
indice
Indice 1.
8eneralidades 8eneralidades ......................................................................... 1
2.
Co"osicin ) Descricin ..................... ................................. ....................... .................. ....... 3
2.1 Co"osicin ............................................................................................. 3 2.1.1 9/arato de :erno&lli - Cd. 939;08 939;08 ...........................................................................3 2.1.2 l&rdidas de cara en los t&os - Cd. 939;06 ........................................................3 2.1.; Serie de c&r(as, (*l(&las ) cone!iones - Cd. 939;23 ............................................3
2.2 Descricin ................................................................................................ 3 2.2.1 9/arato de :erno&lli ....................................................................................................3 2.2.2 l&rdidas de cara en los t&os..................................................................................5 2.2.; Serie de c&r(as, (*l(&las ) cone!iones .....................................................................5
3.
Instr&cciones ara la >&esta en &ncin .................... .............................. .......... 7
3.1 >&esta en %&ncin ..................................................................................... 7 3.1.1 Teore"a de :erno&lli :erno&lli ...................................................................................................7 3.1.2 T&o de =ent&ri ............................................................................................................7 3.1.3 >rdidas de cara - serie de c&r(as, (*l(&las ) cone!iones ..................................8
3.2 3.2 >&es &esta en reo reos so :anco ase ) ?it ocionales4................................. 8 3.2.1 :re(es er@odos 'asta 60 d@as4 ..................................................................................8 3.2.2 $aros er@odos "*s de 60 d@as4 ..............................................................................8
3.3 Aanteni"iento :anco ase ) ?it ocionales4 .................................... 9
;. Siste"a de Bn Bnidad Internacional .................. ........................... ................... ............. ... 11 ;.1 actores de Con(ersion del Siste"a Internacional al Siste"a sa ..................................................................... 12 Tecnico Inles ) (ice(er sa
5. $a !eri"entacin .............................................................. 13 5.1 st&dio st&dio del del Teore"a Teore"a di :erno&ll :erno&llii .......... .................. ............... ............... ................ ................ ................ .......... .. 13 5.1.1 inalidades ..................................................................................................................13
as sore el Teore"a :erno&lli
6
Aan&al del Bs&ario
(
indice
5.1.2 Aodalidades oerati(as .......................................................................................... 13 5.1.3 Interretacin de los res<ados .............................................................................. 1;
5.2 !eri"ento de e)nolds ....................................................................... 18 5.2.1 Aodalidades oerati(as .......................................................................................... 18 5.2.2 Interretacin de los res<ados .............................................................................. 19
5.3 st&dio del %l&
5.;
,l
=ent&ri co"o o"a.......................................................................... 26
5.;.1 inalidad ..................................................................................................................... 26 5.;.2 Aodalidades oerati(as .......................................................................................... 26
5.5
st&dio de las erdidas or %rota"iento en &n t&o - >erdidas de cara en &n cond&cto de seccin constante ................................... 28
5.5.1 inalidad ..................................................................................................................... 28 5.5.2 Aodalidades oerati(as .......................................................................................... 28 5.5.3 Interretacin de los res<ados .............................................................................. 29
5.6 33
st&dio de las /2rdidas de cara localiadas ....................................
5.6.1 inalidades.................................................................................................................. 33 5.6.2 Aodalidades oerati(as .......................................................................................... 33 5.6.3 Interretacin de los res<ados .............................................................................. 35
6. 9>DIC 1 - ociones ara la Se&ridad ........................;1
(i
Didacta Italia
Ca@t&lo 1.
1.
Generalidades
El Kit para experiencias sobre el teorema de Bernoulli permite también el estudio de muchos fenómenos hidráulicos, relacionados al mismo, como ser el efecto enturi ! las pérdidas de car"a, locali#adas ! distribuidas en los tubos. $urante la experiencia con el canal de Bernoulli es posible, además, %isuali#ar el fenómeno del mo%imiento laminar ! turbulento. El &it está reali#ado en plexi"lás transparente. En dotación, se suministra un "rupo de tubos pie#ométricos.
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8eneralidades
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Ca@t&lo 2.
2.
Composición y Descripción
2.1 Composición 2.1.1 Aparato de Bernoulli - Cód. 93940 Está constituido por un sistema de dos cámaras conectadas con un tubo transparente con sección con%er"ente'di%er"ente, en el (ue se establece un flu)o de a"ua controlable en caudal. *obre una serie de tubos pie#ométricos se leen las presiones estáticas. +a e%olución lon"itudinal de tales presiones, antes ! después de la sección mnima, se puede re"istrar sobre una placa controlando entre s las cur%as con flu)os di%ersos.
2.1.2 !lu"o a tra#$s de un tu%o de &enturi - Cód. 93940' -eali#ado con un tubo cilndrico con%er"ente'di%er"ente (ue lle%a al estran"ulamiento ! a los diámetros externos de los tubos pie#ométricos presuri#ables. +os tubos pueden ser presuri#ados para incrementar las posibilidades de experimentación. El e(uipo permite el estudio de un tubo de enturi con la %erificación del "rado de recuperación de la presión al final de la sección di%er"ente. El mismo permite la %erificación de la relación entre ! .
2.1.3 ($rdidas de car)a en los tu%os - Cód. 93940* +a dotación del &it comprende al"unos tubos de di%erso perfil ! diferente sección ! por tanto se puede estudiar la e%olución de las pérdidas de car"a en los tubos de di%ersa sección ! de bruscas %ariaciones de sección 0ensanchamiento, restricción1.
2.1.4 +erie de cur#as, #l#ulas y coneiones / Cód. 939423 2ermite determinar las pérdidas de car"a en cur%as de di%erso perfil, %ál%ulas con di%ersas caractersticas de flu)o ! conexiones. +as pérdidas son %isuali#adas en los tubos pie#ométricós suministrados con el &it códi"o 343566.
2.2 Descripción 2.2.1 Aparato de Bernoulli +a unidad para estudiar el teorema de Bernoulli, consiste esencialmente en un paso con%er"ente'di%er"ente, con 66 tubos pie#ométricos. 7 cada extremidad del canal están colocados 8 tan(ues de plástico transparente. 9ada tan(ue está e(uipado con escala %ertical (ue dá la medida del ni%el con respecto al e)e del canal. El tan(ue de entrada E89D - ?it !eriencias sore el Teore"a :erno&lli
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Co"osicin ) Descricin
está conectado a la bomba con un tubo flexible. +a a"ua lle"a al interior atra%é# de un tubo con a"u)ero ! tiene la finalidad de reducir la turbulenca ! ase"urar el ni%el de l(uido constante. +a unidad base está constituida completamente de material anticorrosión 29 ! aluminio sobre un panel %ertical ha! once tubos pie#ométricos ! un manómetro con fondo'escala de 6. bar, para controlar instantaneamente el %alor de la presuri#ación. 7 la entrada ! a la salida de la ca;era, existen conexiones respecti%amente con el tubo de alimentación ! con la %ál%ula de descar"a. +a %ál%ula de descar"a permite un perfecto "rado de re"ulación del flu)o. En los puntos donde %ara la sección existe un a"u)ero (ue constitu!e la toma de presión de los pie#ómetros. +as extremidades superiores de los tubos pie#ométricos están conectados con un colector (ue puede ser presuri#ado.
Fig. 2.1
2.2.2 !lu"o a tra#$s de un tu%o de &enturi +a unidad está compuesta por un trecho de ca;era con sección %ariable. +a ca;era está formada por tres troncos: uno con%er"ente, uno con sección constante ! uno di%er"ente. El tronco con sección constante, de 6<< mm de lar"o, tiene un diámetro interno de 8< mm. El tronco con%er"ente tiene un diámetro interno de 8< a 6< mm, el tronco di%er"ente tiene el = de 6< a 8< mm con una lar"o de 6<< mm. Esta unidad está montada por medio de pe(ue;os pomos a una unidad base.
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Ca@t&lo 2.
Fig. 2.2
2.2.3 ($rdidas de car)a en los tu%os +a unidad está compuesta por tres trechos de ca;era de diámetro ! construcción distintos: >no de perfil constante de = i 65 mm >no de perfil constante de = i 6< mm >no con ensanchamiento brusco, o estrechamiento de la sección más o menos a la mitad de la ca;ra con =i 65 ! 6< mm. Estos tubos se montan mediante conexiones. +as ca;eras as formadas se montan en la unidad base por medio de pe(ue;os pomos. +os tubos de prueba están constituidos por una toma de presión a cada extremidad? el tubo con diámetro %ariable está constituido por otras dos tomas de presión a ni%el de la sección en la (ue se tiene la %ariación de diámetro. 2ara medir las pérdidas de car"a, se emplea la unidad de pie#ómetros.
2.2.4 +erie de cur#as, #l#ulas y coneiones El "rupo está constituido por una serie de tomas de presión situadas antes ! después del mismo para poder %isuali#ar las pérdidas de car"a. Está en dotación al "rupo una serie de bornes de offmann para excluir las tomas de presión no en uso durante el experimento. +a alimentación ! la descar"a del a"ua son efectuadas por medio de man"uitos, como en los puntos anteriores. El "rupo es fi)ado al "rupo base por medio de abra#aderas con paneles, como en los puntos anteriores.
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Co"osicin ) Descricin
Fig. 2.3
Fig. 2.4
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Ca@t&lo 3.
3.
Instrucciones para la (uesta en !unción
3.1 (uesta en unción 3.1.1 eorema de Bernoulli ontar el "rupo para el estudio del teorema de Bernoulli sobre el plano de traba)o actuando de la si"uiente forma: ontar el cilindro de alimentación pro%isto de tan(ue para el colorante en la parte i#(uierda de la base preperforada ! blo(uearlo mediante los apropiados pomos. ontar la a"u)a para la in!ección del color en el apropiado alo)amiento. ontar el canal de Bernoulli con las tomas de presión orientadas hacia aba)o. ontar el cilindro de descar"a blo(ueándolo con los apropiados pomos. ontar sobre este Altimo el tubo de descar"a 0pro%isto de %ál%ula, codo ! porta"oma1 9onectar las tuberas en silicona con las respecti%as tomas de presión 9onectar la impulsión de la bomba a la entrada del "rupo 0situada en la base del cilindro de alimentación1, abrir completamente el "rifo del tan(ue de salida. 2oner en función la bomba ! re"ular el caudal a fin de obtener un ni%el constante en el tan(ue de alimentación. 7ctuar, ahora, sobre la %ál%ula de re"ulación de modo (ue sea %isible el ni%el del l(uido en el pie#ómetro central 0situado en correspondencia de la sección menor1. 7ctuando contemporáneamente sobre el caudal en entrada 0es decir sobre la presión del l(uido en el tan(ue de alimentación1 ! sobre la %ál%ula de re"ulación, obtener la máxima diferencia pie#ométrica entre los pie#ómetros 6 ! . Esperar (ue los %arios ni%eles en los pie#ómetros se estabilicen. Efectuar la lectura.
3.1.2 u%o de &enturi ontar el tubo de enturi sobre el bastidor del &it utili#ando apropiadas abra#aderas con pomos 0en dotación al "rupo1 con las tomas de presión orientadas hacia aba)o. ntroducir el tubo de alimentación del a"ua E89D - ?it !eriencias sore el Teore"a :erno&lli
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Instr&cciones ara la >&esta en &ncin
ontar la tubera de descar"a pro%ista de %ál%ula, codo ! porta"oma. 9onectar las tuberas de silicona a las respecti%as tomas de presión.
3.1.3 ($rdidas de car)a / serie de cur#as, #l#ulas y coneiones ontar la tubera deseada o la serie de cur%as utili#ando apropiadas abra#aderas con pomos 0en dotación al "rupo1 con las tomas de presión orientadas hacia aba)o. ntroducir el tubo de alimentación del a"ua. ontar la tubera de descar"a. 9onectar las tuberas de silicona a las respecti%as tomas de presión.
3.2
(uesta en reposo Banco %ase y it opcionales
3.2.1 Bre#es per5odos 6asta *0 d5as Efectuar las si"uientes operaciones: poner el potenciómetro ! el interruptor diferencial en posición off? desenchufar el tomacorriente? cerrar la puerta del panel eléctrico con la lla%e en dotación al "rupo? abrir completamente la descar"a del cilindro? ase"urarse de (ue no existan impure#as o residuos en los orificios calibrados del cilindro de medición.
3.2.2 7ar)os per5odos ms de *0 d5as repetir las operaciones descritas en el párrafo 4.8.6? %aciar completamente el recipiente de alimentación? si posible, cubrir la unidad con una lona para prote"erla del pol%o? secar todos los componentes de plexi"lás? en"rasar con una capa fina de silicona 0o, también, de aceite1 todos los componentes deteriorables de "oma? es aconse)able, en el caso de (ue la unidad base esté acoplada a uno o más &its, separar ! almacenar ordenadamente todos los componentes.
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3.3 8antenimiento Banco %ase y it opcionales Co utili#ar a"entes (umicos como ser, sol%entes, ácidos o detersi%os abrasi%os para limpiar la unidad. +os componentes directamente en contacto con el a"ua están construidos en material anticorrosi%o pero, de todos modos, es aconse)able a;adir a"entes en condición de contrastar los efectos ne"ati%os debidos a e%entuales caractersticas (umico'fsicas del a"ua. 9ontrolar !, si necesario sustituir, los componentes deteriorables de "oma 0anillos D'rin", tubos flexibles, )untas, etc.1. 9ontrolar, especialmente tras lar"os perodos de reposo, (ue todos los D'rin" ! las )untas necesarias para las pruebas estén en buen estado. nspeccionar !, si necesario, limpiar todos los orificios ! los in!ectores.
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Instr&cciones ara la >&esta en &ncin
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4.
+istema de nidad Internacional
Este manual ha sido escrito usando para todas las "rande#as las unidades de medición del sistema internacional 0*1, concordante con las prescripciones internacionales. *e recomienda la consideración del sistema de unidad internacional como sistema absoluto de unidades fundamentales ! no recurrir a la con%ersión a otras unidades. El sistema internacional se debera usar independientemente de los otros durante todo el perodo de traba)o. *i"ue la tabla de con%ersiones entre las unidades del sistema internacional de medida ! las del sistema práctico ! las del sistema an"losa)ón.
Unidad
Concepto Sistema internacional
Práticos
Sistema anglosajón
Largo
Metro
[m]
Metro
Foot o inch
Masa
Kilogramo
[kg]
Kg · s2/m
Lb · s2/ft
Tiempo
Segundo
[s]
Segundo
Fuera
!e"ton
[!]
Kg
#ound
'oule (! m)
[']
Kg · m
Foot · pound
*att ($oule/sec)
[*]
+aballos/,apor
-orse po"er [-#]
%nerg&a t.rmica
'oule
[']
+alor&a
ritish Thermal 0nit [tu]
Flu$o t.rmico
*att
[*]
+alor&a/sec
Temperatura
Kel,in
[K]
1 +elsius
Traba$o/%nerg&a #otencia
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Segundo
tu/sec
1 Fahrenheit
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Siste"a de Bnidad Internacional
4.1 !actores de Con#ersion del +istema Internacional al +istema ecnico In)les y #ice#ersa
Unidad
De
A
Largo
M
%n
345
Masa
Kg
Lb · ft ;9 · s2
<4=7
Tiempo
S
S
L
X
De
en
9: ;2
Lb · ft ;9 · s2 S
A
X
6
2478
Kg
98473
S
9: ;2
9
Fuera
!
Lb
2427
9: >9
Lb
!
8487
Traba$o/%nergia
'
Lb · ft
54=
9: >9
Lb · ft
'
94<
+antidad de calor
'
tu
348=
9: >8
tu
'
94:<
9:
#otencia
*
-#
948
9: >
-#
*
548<
9: 2
Flu$o termico
*
tu/s
348=
9: >8
tu/s
*
94:<
9:
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'.
7a :perimentación
7 continuación se describirán las principales experiencias (ue se pueden reali#ar con el banco 3.$ ! el Kit para el estudio del Feorema de Bernoulli ! sus implicasiones. 9ada e)ercitación está precedida por una bre%e descripción de las finalidades (ue se propone? después si"ue una descripción acerca de las modalidades de las pruebas ! de la conexión entre los distintos elementos del banco en el cual se reali#an estas pruebas. +a e)ercitación se conclu!e con una parte (ue se refiere a la interpretación de los resultados? en esta parte se recuerdan las nociones teóricas (ue son la base del fenómeno obser%ado.
'.1 :studio del eorema di Bernoulli '.1.1 !inalidades +as pruebas (ue se efectuarán en esta unidad de estudio tienen la finalidad de %erificar la le! (ue re"ula el mo%imiento de un flAido en un conducto, le! expresada por el Feorema de Bernoulli. +a correcta comprensión de esta le! es fundamental para el estudio de hidráulica ! en "eneral del mo%imiento de los flAidos. *e demostrará (ue, si se pueden descuidar las pérdidas por frotamiento, la ener"a del li(uido (ueda constante en cada punto del tubo. >tili#ando siempre la misma unidad, será posible efectuar la experiencia de -e!nolds. ntroduciendo en el flu)o una %ena de color es posible indi%iduar su cambiamento de flu)o laminar al turbulento ! por lo tanto %erificar (ue existe un inter%alo de %elocidad deba)o del cual el mo%imiento del l(uido es sin dudas laminar, mientrar (ue por encima es se"uramente turbulento.
'.1.2 8odalidades operati#as 6. 7rmar la unidad para el estudio del Feorema de Bernoulli sobre la mesa de traba)o. 8. 9onectar el en%o de la bomba con la entrada de la unidad, abrir completamente la lla%e del tan(ue de salida. 4. 2oner en marcha la bomba, ! re"ular el caudal de manera (ue se pueda obtener un ni%el constante en el tan(ue de alimentación. 5. 7ccionar la %ál%ula del tan(ue de salida de manera (ue sea %isible el ni%el del l(uido en el pie#ómetro central 0puesto en correspondencia de la sección menor1. G. 7ctuar contemporaneamente sobre el caudal entrante 0o sea sobre el batiente l(uido en el tan(ue de alimentación1 ! en la %ál%ula del tan(ue de salida la máxima diferencia pie#ométrica entre los pie#ómetros 6 ! .
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$a !eri"entacin
. Esperar (ue los distintos ni%eles en los pie#ómetros se estabilicen. Efectuar la lectura de estos ni%eles. H. Dbser%ar la altura del batiente en los dos tan(ues extremos ! medir el %alor del caudal. . -epetir las operaciones comprendidas entre los puntos 5 ! H por lo menos por dos %alores de caudal.
;<A a! (ue re"ular cuidadosamente los ni%eles de los dos tan(ues de la extremidad hasta (ue se obtiene una marcha re"ular de la pie#ometra.
Fig. 5.1
'.1.3 Interpretación de los resultados Cos limitaremos a recordar la forma ! el si"nificado del teorema de Bernoulli. 9onsideremos un trecho cual(uiera de una ca;era dentro de la cual pasa un l(uido. 9onsideremos también dos secciones (ue llamaremos 6 ! 8. En cada, una de las dos secciones, el l(uido poserá una presión ! una %elocidad caractersticas de la sección considerada. 9ada sección se caracteri#a por una cierta I con respecto a una lnea hori#ontal.
1;/;2
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Ca@t&lo 5.
Fig. 5.2
Entonces se podrá escribir el Feorema de Bernoulli:
* 6
+
p6
�
+
' 86 8 +
8
p 8
= * 8 +
+
�
'8
8 +
= cos t
cu!o si"nificado es: en el mo%imiento permanente de un l(uido perfecto, la suma 8 entre la altura "eométrica J#, la altura pie#ométrica Jp ! la altura cinética J% , se mantiene constante en cada punto de la tra!ectoria. 7hora %eamos la aplicación del teorema precedente al trecho con%er"ente'di%er"ente presente en el aparato experimental. *e puede obser%ar (ue la dimension de la sección cambia en relación a su distancia JL respecto a la embocadura del conducto.
Fig. 5.3
Entonces podremos escribir: p o
�
+
'<8 8〈
=
pi8
�
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+
6
'i8 8〈
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$a !eri"entacin
abiendo eliminado el término I constante para todos los puntos de la tra!ectoria.
∆ H =
6
(' − 8 + 8
i
'
<
8
)
habiendo puesto: p- � H -ecordando (ue: 'i /-, i , o – b 0 x 0 tan 〈 donde: * M sección 2odremos escribir:
∆ H =
/
8
8 +
6
(, < − b ⋅ x ⋅
8
−
6 8
,<
tan ⋅ 〈 ) cu!o si"nificado es: la diferencia pie(ométrica entre dos secciones es proporcional al cuadrado de la distancia L. -eportando los %alores de las alturas pie#ométricas medidas precedentemente en los distintos puntos del conducto, se obtendrá un dia"rama simile al (ue ha sido reportado en la fi"ura si"uente, del (ue se puede concluir: a1 +a altura pie#ométrica cambia efecti%amente se"An una le! cuadrática en L. b1 *e puede notar (ue entre la entrada ! la salida del flAido ha! una cada pie#ométrica (ue no es explicada por el teorema de Bernoulli. +as dos secciones extremas efecti%amente tienen la misma área. c1 Esta cada se puede explicar tomando en cuentra (ue el l(uido (ue atra%iersa el conducto es un l(uido real ! por lo tanto existe sea un frotamiento interno, sea un frotamiento con las paredes del conducto, frotamiento (ue ha! (ue %encer para mantener el mo%imiento del li(uido. En este caso se hablará de perdidas de car"as debido al frotamiento. 0Estas se anali#arán de manera más completa en su respecti%a unidad de estudio1.
16/;2
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Fig. 5.4
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$a !eri"entacin
'.2
:perimento de =eynolds
'.2.1 8odalidades operati#as 6. 7rmar la unidad para el estudio del Feorema de Bernoulli sobre la mesa de traba)o ! insertar la a"u)a ' )erin"a en el adecuado alo)amiento. 8. 9onectar el en%o de la bomba con la entrada 6 de la unidad, abrir completamente la lla%e del tan(ue de salida. 4. +lenar el tan(ue con el colorante 0tinta a#ul o ro)a la%able1 ! controlar (ue la lla%e del mismo tan(ue esté bien cerrado. 5. 2oner en marcha la bomba ! re"ular el caudal de manera (ue se obten"a un ni%el constante en el tan(ue de alimentación. G. 7ctuando con el lla%e de desaho"o ! e%entualmente sobre el en%o de la bomba, reducir el caudal hasta %alores mu! ba)os 0∆ M 6< mm entre la sección de entrada ! la sección estrecha1. . +le%ar la lla%e del colorante en el punto más alto del tubo ! abrir la lla%e de deflu)o. H. *i en el conducto se %erifican condiciones de flu)o laminar, la corriente colorada será %isible a lo lar"o de todo el recorrido. . 7umentar "radualmente el caudal del l(uido, actuando sobre la %ál%ula del tan(ue de salida ! e%entualmente sobre el caudal de la bomba hasta (ue se obten"a la rotura del flu)o colorado en la sección estrecha. 3. 2arar la bomba ! hacer el drena)e completo del a"ua en el tan(ue.
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Fig. 5.5
'.2.2 Interpretación de los resultados +as condiciones de ré"imen laminar o turbulento de la corriente, están determinadas por la %elocidad del flAido en el conducto. +a %elocidad del flAido es directamente proporcional al caudal e in%ersamente proporcional a la sección. Entonces, utili#ando los dos %alores de caudal precedentemente medidos, se puede calcular los dos %alores %6 ! %8 (ue delimitan el pasa)e de ré"imen laminar a ré"imen turbulento. $espués, se puede calcular el nAmero de -e!nolds, utili#ando la expresión (ue !a conocemos: 1e C 0 D 0 '- ∝
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19/;2
$a !eri"entacin
$onde para calcular $ se toma en consideración la relación: D " ,-C *iendo 9 el contorno ba;ado (ue e nuestro caso coincide con el permetro. *e debe recordar (ue para el a"ua se puede poner: !
C #2!3 (K+ - m $ 0 ∝ #.8 0 #2
20/;2
)3
5
(4 0 s-m $
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'.3 :studio del lu"o a tra#es de un tu%o de &enturi - :l &enturi como medidor de caudal '.3.1 !inalidad El enturi es mu! usado como instrumento medidor de caudal por(ué, puesto en un conducto, pro%oca modestas pérdidas de car"a. +as si"uientes pruebas tienen la finalidad de tarar un enturi o sea de determinar las constantes caractersticas del instrumento. 7demás se calculará tambien el "rado de recuperación de la presión (ue tendrá después la sección estrecha o en otros palabros, será calculada la pérdida de car"a debida a la inserción del medidor en el conducto.
'.3.2 8odalidad operati#as 6. 2oner la unidad, con el tubo de enturi sobre la mesa de traba)o. 9onectar con un tubo flexible el en%o de la bomba con la toma puesta en la extremidad i#(uierda del tubo de enturi. 8. 2oner en marcha la bomba ! actuando sobre su %elocidad de rotación ! sobre la %ál%ula de re"ulación, re"ular el caudal de manera (ue se ten"a el máximo diferencial entre las lecturas de los dos pie#ómetros 06 ! 41, conectados respecti%amente en la entrada del tubo enturi ! en la sección estrecha. 4. 9onectar la bomba manual con la %ál%ula del colector ! empe#ar a bombear lentamente. 2resuri#ar el colector hasta (ue el ni%el del pie#ómetro H alcance el más ba)o %alor %isible. 5. Efectuar la lectura sobre los pie#ómetros 8, G, H, 5 ! rele%ar el correspondiente %alor del caudal. G. 7umentar el %alor del caudal actuando sobre la %elocidad de rotación de la bomba ! estabili#ar las indicaciones de los pie#ómotros actuando sobre la %ál%ula de re"ulación. Efectuar las lecturas en los pie#ómetros 8, G, H ! 6<. . -epetir las operaciones indicadas en el punto 5. H. -epetir las operaciones indicadas en los puntos G ! de manera (ue se obten"an al"unos puntos de medición. *e debe tener cuidado (ue el a"ua no llene el colector. . -epetir de nue%o todas las operaciones desde el punto 4 hasta el punto H. 3. 2arar la bomba ! permitir el drena)e completo del a"ua en el tan(ue de recolección.
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6
Aan&al del Bs&ario
21/;2
$a !eri"entacin
Fig. 5.6
'.3.3 Interpretación de los resultados *e tome en consideración el conducto circular con%er"ente indicado en la fi"ura ! se apli(ue al mismo el teorema de Bernoulli tomando como referencia las dos secciones 6 ! 8 (ue tienen respecti%amente una área: 76 ! 78. Entonces se podrá escribir:
H 6+
'6
8
8 +
= H 8 +
8
'8
(#$
8 +
2oniendo nella 061: '# / - 6# 7
22/;2
'5 / - 6 5 7
r 6# - 65
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se obtendrá la expresión:
H6
/8
6
8 +
68
− H8 =
− 8
6
=
8
66
/8 8
[r − 6] 8
66 8 +
(ue con al"unos simples pasá)es se transforma en: 2.3
/ C m 0 ∆ H
(5$
habiendo puesto:
C m
= 66 ⋅
8 + r
−
8
6
Fig. 5.7
+a 081 es la relación buscada (ue li"a entre s: el caudal ! el diferencial entre las dos alturas pie#ométricas en las secciones 6 ! 8. El coeficiente 9 m, (ue claramente está en relacion con la "eometra del enturi, se llama 9onstante del instrumento. Entonces, calculemos este coeficiente, siendo en nuestro caso: 76 M 7rea sección lar"a r
M 2artición entre área "rande/área estrecha
Fra#amos en el dia"rama doble'lo"artmico (ue !a contiene los resultados experimentales, la recta ideal representada por la ecuación 8. +a primera cosa (ue se"uramente podemos obser%ar es (ue la recta ideal está situada completamente encima de los puntos experimentales? esto se debe a las pérdidas de car"a a lo lar"o del trecho con%er"ente. *e puede tomar en cuenta este hecho escribiendo en lu"ar de la 8 la formula si"uente: / 0 C m 0 ∆ H 0 ∆ H
2.3
2.3
E89D - ?it !eriencias sore el Teore"a :erno&lli
6
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23/;2
$a !eri"entacin
donde &, coeficiente correcti%o. En un %enturmetro industrial este %alor está entre <,3 ! <,3? en nuestro %enturmetro didáctico este %alor es al"o ma!or. 2ara determinar el %alor de & tra#ar, siempre en el mismo dia"rama, una recta (ue interpole bien los %alores experimentales. +a partición entre los dos interceptas b6 ! b8, dará el %alor deseado de &. Dtra caracterstica interesante (ue se puede rele%ar a partir de los dados medidos, es la pérdida de car"a introducida por la inserción del enturi en un conducto. Esta ma"nitud normalmente se expresa utili#ando la cantidad definida como recuperación -:
1 =
H − H sal
estr
6<< H entr − H estr
⋅
*e calcule los %alores de - para cada uno de los puntos de medición ! se determine su %alor medio.
Fig. 5.8
? [l/ min]
Lectura pie@metros
mm -2A
∆ - B 2>
-=
5 − 4
9
2
8
92
8::
8::
997
7:
2=7
=2
9:
8::
8::
29:
<7
93:
=2
=
2<7
2<7
972
285
99
=8
<
25:
25:
29:
2<:
<:
=
7
27:
27:
2:5
28:
8
55
⋅
6<<
=2
1 B
2;/;2
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Lectura pie@metros
? [l/ min]
9
2
mm -2A
∆ - B 2> 8
-
=
5 − 4
⋅
6<<
1 B
1000
@ m m ?
100
>
∆
10
1
1
2
3
;
5
?lBmin@
Fig. 5.9
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6
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25/;2
$a !eri"entacin
'.4
:l &enturi como %om%a
'.4.1 !inalidad $emostrar (ue re"ulando oportunamente la %elocidad del l(uido (ue atra%iesa el conducto con%er"ente'di%er"ente se puede utili#ar el sistema, como bomba aspirante. >n sistema como éste tiene muchas aplicaciones industriales? ciertamente la aplicación más conocida es a(uella reali#ada en el carburador de un motor a combustión interna en el cual el pasa)e del aire en el conducto de aspiración, determina la lle"a de bencina ! la consi"uiente me#cha. $urante esta prueba no se efectuarán mediciones? siendo su finalidad de obser%ar cualitati%amente el fenómeno.
Fig. 5.10
'.4.2 8odalidades operati#as 6. 2oner la unidad de estudio sobre un soporte de modo (ue se encuentre en posición alta con respecto a la mesa de traba)o. 8. $esconectar las tomas de presión de los pie#ómetros ! conectar entre s, por medio de al"unos peda#os de tubo flexible ! de la conexión a JF, las tres tomas 8, G, 6<. 4. ontar un lar"o peda#o de tubo flexible en la toma H e introducir la otra extremidad en un %aso ! otro recipiente análo"o apo!ado sobre la mesa de traba)o. 5. 7brir completamente la %ál%ula de re"ulación ! poner en marcha la bomba mitad ré"imen.
26/;2
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G. Dbser%ar como del tubito conectado con la toma de presión sale el l(uido, (ue comen#ará a llenar el recipiente. . 7umentar la %elocidad de rotación de la bomba. *e puede obser%ar antes la reducción de la cantidad de l(uido (ue flu!e del tubito ! después la in%ersión de la tendencia o sea (ue el l(uido será aspirado del %aso. H. 7umentar el caudal de a"ua en el conducto principal ! obser%ar el correspondiente aumento del caudal de aspiración. . El comien#o de la fase de aspiración se tendrá (ue rele%ar también a tra%es un acentuado rumor, debido a (ue, cuando la presión en la sección estrecha ba)a en respecto a la presión ambiente, se tendrá separación de aire.
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$a !eri"entacin
'.' :studio de las perdidas por rotamiento en un tu%o / (erdidas de car)a en un conducto de sección constante '.'.1 !inalidad 9onsiste en mostrar (ue cuando un flAido se desli#a en una ca;era, existen cadas de presión o pérdidas de car"a. Estas pérdidas de car"a dependen del frotamiento del flAido con las paredes del tubo? éstas dependen de la %elocidad del flAido, de la área de la superficie ba;ada ! del "rado de escabrosidad de las paredes del tubo, as como de la lon"ura del tubo. +as pruebas se efectuarán con tubos de distintos diámetros para di%ersos %alores del caudal de l(uido (ue los atra%iersa. 7demás se demostrará (ue la le! (ue une entre s los parámetros antes catalo"ados es distinta se"An las condiciones de flu)o laminar o de flu)o turbulento.
'.'.2 8odalidades operati#as 6. $isponer la unidad sobre la mesa de traba)o. 8. $isponer el tubo en prueba entre los dos elementos idóneos de la unidad. 4. 9onectar el en%o de la bomba con el tubo de alimentación de la unidad. 5. 9onectar las dos tomas de presión con los pie#ómetros correspondientes. G. 7brir la %ál%ula de re"ulación del caudal ! poner en marcha la bomba a ba)o nAmero de "iros 0G<<1. . 7ctuando contemporaneamente sobre la %ál%ula ! sobre el ré"imen de rotación de la bomba, re"ular el caudal de manera (ue se obten"a el máximo diferencial entre las lecturas de los pie#ómetros. *i el diferencial es demasiado ba)o, presuri#ar la cámara superior de los pie#ómetros de manera (ue se pueda aumentar el caudal circulante en los tubos. H. -ele%ar la altura de la columna de a"ua en los dos pie#ómetros ! el correspondiente %alor de caudal. -eportar este %alor en la tabla. . En caso de (ue los %alores del caudal sean demasiado ba)o, para hacer una buena medición se podrá usar un cilindro "raduado ! un cronómetro. 3. -educir el caudal de manera (ue se ten"a una disminución del %alor del diferencial de 6< mm 0G mm para los %alores más ba)os de caudal1. 6<. -epetir las operaciones del punto H. 66. -epetir las operaciones indicadas entre los puntos H ! 3 de manera (ue se ten"an al"unos puntos de medición.
28/;2
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68. 2arar la bomba ! permitir el completo deflu)o del a"ua en el tan(ue. 64. 9ambiar el tubo en prueba ! repetir todas las operaciones del nAmero 8 hasta el nAmero 68.
Fig. 5.11
'.'.3 Interpretación de los resultados El mo%imiento de un flAido en un conducto en el caso ideal, está descrito por la fórmula 0Feorema de Bernoulli1: 5
: p- � : ' -5+ costante donde: p M presión en la sección (ue se examina
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29/;2
$a !eri"entacin
% M %elocidad del flAido en la sección (ue se examina # M altura de la sección con respecto a la lnea de referencia
� M peso especfico del l(uido 046< C/m 4 para el a"ua1 8
" M aceleración de "ra%edad 03.6 m/s 1 (ue como recordará, expresa la constancia de la ener"a a lo lar"o del conducto. 2ero por efecto del frotamiento del l(uido con las paredes de una ca;era o del frotamiento interno del l(uido o bien por(ue se forman e%entuales fenómenos de %órtices, la relación precedente se altera para asumir la forma: Ener+ia en la seccin # – Ener+ia perdida Ener+;a en la seccin 5 +a determinación de la ener"a perdida representa la dificultad mas "rande para la solución de problemas relati%os al mo%imiento de los flAidos en los conductos. El caso más sencillo (ue se pueda anali#ar, es el del mo%imiento de un l(uido en un conducto rectilneo de sección constante. *upon"amos (ue la ca;era sea hori#ontal 0lo (ue se dirá es %álido en "eneral por cual(uiera inclinación del conducto1. 0,;5 0,;0 0,35
@ m0,30 m B 0,25 < 2 > m0,20 m ? 0,15 C
10 14
0,10 0,05 0,00 0
2
;
6
8
10
12
?lBmin@
Fig. 5.12 – Cadente piezométrica 8
En base a la relación de Bernoulli, siendo constante los %alores de /8" ! de #, la presión se debera mantener constante en los distintos puntos del conducto. *in embar"o en realidad, como hemos podido notar durante las experimentas, la cuota pie#ométrica en %e# de mantenerse constante, ba)a siempre en el sentido del mo%imiento del l(uido.
30/;2
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Esta disminución referida a un trecho de ca;era de lar"o unitario, toma el nombre de cadente o bien pendencia pie#ométrica ! se indica "eneralmente con N? se tiene por lo tanto: < ∆ = - # El cadente mide la ener"a mecánica perdida por la unidad de peso del ldo para cumplir un percurso de lar"o unitario. Esta ener"a, como !a se ha dicho, será "astada para %encer los distintos frotamientos (ue se oponen al mo%imiento del l(uido. Es posible demostrar (ue la pendencia se puede expresar en función del diámetro del tubo ! del caudal se"An: 5
< 0 > -D
3
donde: 4
M
caudal 0m / s1
$M
diámetro del tubo 0m1
&M
factor (ue se determina experimentalmente o bien mediante fórmulas empricas, entre los cuales, las más conocidas son:
+a fórmula de $arc!: K (2.22#?" : 2.2222"5-D$ +a fórmula de Blasius:
K
=
<.<8 5
-e
Dbser%ando el dia"rama anexo, se puede notar (ue el "ráfico pendencia'caudal presenta un punto de discontinuidad? este punto indica el pasa)e de ré"imen laminar a ré"imen turbulento.
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31/;2
$a !eri"entacin
? [ l /min]
∆ - C9:
∆ - C98
∆ - C98;9:
[mm -2A]
[mm -2A]
[mm -2A]
7
7:
9:
7
<
=:
97
77
5
997
22
5:
=
98:
:
3:
3
95:
5
92:
9:
2::
87
987
? [ l /min]
∆ - C9:
∆ - C98
∆ - C98;9:
[mm -2A]
[mm -2A]
[mm -2A]
250 200 @ < 2 150 > m m ? 6 100
10 14 14−10
∆
50 0 0
2
;
6
8
10
12
?lmin@ Fig. 5.13
32/;2
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'.* :studio de las p$rdidas de car)a localiadas '.*.1 !inalidades En el párrafo G.G se han puesto de manifiesto las pérdidas de car"a (ue sufre un fluido en mo%imiento en una tubera, unidas al roce del l(uido mismo con las paredes del tubo. 2ero existen otras importantes pérdidas de car"a a lo me)or toda%ia más per)udiciales: las pérdidas de car"a locali#adas. Fienen ori"en en los lu"ares en (ue el mo%imiento del l(uido sufre una perturbación impro%isa. *e pueden di%idir de este modo: 2érdidas debidas a una impro%isa %ariación de sección 2érdidas debidas a una %ariación en la dirección del mo%imiento del l(uido 2érdidas debidas a la existencia de )untas o ór"anos de interceptación 9ada una de estas causas pro%oca en el l(uido en mo%imiento la formación de secciones en mo%imiento %orti"inoso. +a turbulencia se mantiene a expensas de la ener"a mecánica del li(uido determinando as la pérdida de presión. Db)eto del experimento es demonstrar (ue la existencia de un contacto entre ór"anos de interceptación o de codos 0%ariaciones de dirección en el mo%imiento del l(uido1 determina una cada de presión.
'.*.2 8odalidades operati#as &isualiación 6. *e coloca el "rupo sobre el plano de traba)o ase"urarse (ue todas las %ál%ulas del "rupo estén abiertas. 8. *e conecta la remesa de la bomba con el tubo de alimentación 061 del "rupo. 4. *e conectan las distintas tomas de presión a los pie#ómetros 0los siete primeros1 cudese el cierre de los pie#ómetros no empleados. 5. *e cierra la %ál%ula de re"ulación ! se pone en marcha la bomba con ba)o nAmero de "iros 0G<<1. G. 7ctuando al mismo/tiempo sobre la %ál%ula de re"ulación ! sobre el ré"imen de rotación de la bomba, se re"ula el caudal para (ue el primer pie#ómetro lle"ue a los 8/4 de la escala.
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6
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33/;2
$a !eri"entacin
. *e"uidamente se cierra la %ál%ula salida tan(ue hasta (ue todos los pie#ómetros acti%os den indicación. *i necesario se a)usta el caudal con la %ál%ula de re"ulación para e%itar (ue el primer pie#ómetro sal"a de la escala. H. *e obser%a enfin sobre los pie#ómetros el efecto de las pérdidas locali#adas.
Er)anos de interceptación 6. 2roceder como en los puntos 6, 8, 4 del párrafo anterior. 8. Empleando las bridas correspondientes 0bridas de offmannn1 estran"ular tads las tomas de presión menos (ue las dos colocadas arriba ! aba)o del ór"ano de interceptación (ue se desea probar. 4. 9errar la %ál%ula de re"ulación ! poner en marcha la bomba de ba)o nAmero de "iros 0G<<1. 5. 7ctuando al mismo tiempo sobre la %ál%ula de re"ulación ! sobre el ré"imen de rotación de la bomba 0(ue debe estar entre los 8<<< ! &los 8G<< "iros1 re"ular el caudal para (ue entre los dos pie#ómetro acti%os se ten"a un diferencial de 4< O 5< mm 8D. G. 9errar pro"resi%amente la %ál%ula salida tan(ue hasta (ue se obser%e una ele%ación de la columna de l(uido en ambos pie#ómetros. . -ele%ar el alto de la columna de a"ua en los dos pie#ómetros ! medir el correspondiente %alor del caudal. +le%ar todos los %alores a una tabla. H. 7umentar el caudal abriendo la %ál%ula de re"ulación si el alto de la columna l(uida de los dos pie#ómetros lle"ara a ser demasiado ele%ado, presuri#ar pro"resi%amente la cámara superior. . -epetir la operación del punto . 3. -epetir las operaciones de los puntos H ! para tener al"unos puntos de medida. 6<. 2arar la bomba. 66. 9ambiar el ór"ano de interceptación ! repetir las operaciones de los puntos 4 O 6<.
;<A +as pruebas descriptas podrán ser lle%adas para %alores distintos del "rado de abertura de la %ál%ula de interceptacción. 2ero en talcaso las dos tomas de presión deberán cunectarse con un manómetro diferencial de mercurio o mecánico 0fondo escala ≅ H< mm "1 (ue no se pro%ee con el "rupo.
otal de p$rdidas de distinta clase 6. 2roceder como en los puntos 6, 8, 4 del párrafo anterior. 3;/;2
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8. Empleando las bridas correspondientes 0bridas de offmann1 estran"ular todas las tomas de presión menos la primera ! la Altima. 4. 9errar la %ál%ula de re"ulación ! poner en marcha la bomba con ba)o nAmero de "iros 0G<<1. 5. 7ctuando al mismo tiempo con la %ál%ula de re"ulación ! con el ré"imen de rotación dela bomba 0(ue ten"a entre los 8<<< ! los 8G<< "iros1 re"ular el caudal de modo (ue en los pie#ómetros acti%os se ten"a un diferencia entre 4< ! 5< mm de 8D. G. 9errar pro"resi%amente la %ál%ula salida tan(ue hasta notar una ele%ación de la columna de l(uido en ambos pie#ómetros. . -ele%ar el alto de la columna de a"ua en los dos pie#ómetros ! medir el correspondiente %alor del caudal. +lear dichos %alores a una tabla. H. 7umentar el caudal abriendo la %ál%ula de re"ulación. *i el alto de la columna de a"ua en uno de los dos pie#ómetros lle"ara a ser demasiado ele%ado, presuri#ar la cámara superior. . -epetir la operación del punto . 3. -epetir las operaciones H ! para distintos %alores del caudal de modo de tener al"unos puntos de medida.
Fig. 5.14
'.*.3 Interpretación de los resultados 9omo en el caso de las pérdidas distribuidas la pérdida locali#ada puede expresarse con la fórmula "enerali#ada:
∆ H = K ⋅
@
8
8 +
= K ⋅
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6
>
8
D
5
Aan&al del Bs&ario
35/;2
$a !eri"entacin
donde
∆ M pérdida pie#ométrica M %elocidad media del fluido M caudal $ M diámetro del conducto K, K M constantes En los dos dia"ramas anexos conse"uidos con las dos si"uientes condiciones: a1 2érdida "lobal medida en toda la tubera debida a ór"anos de interceptación ! codos? las pérdidas distribuidas en este caso pueden omitirse. b1 2érdida medida arriba ! aba)o de un ór"ano de interceptación. 8
*e ha lle%ado ∆ M f 0 1, se puede obser%ar como bien se corresponden los 8 resultados experimentales ! la forma de la relación teórica 0lineal con respecto a 1.
? [l/ min]
∆ H >8
?2
∆-
∆ H
[mm -2A]
>
8
7
27
97
748
<
<
2:7
745
5
83
2<:
74
547
7<427
9:
747
=
<8
87
748
=47
52427
<:
74:
3
=9
3:
84=
mediano = G.4
©B 549
Taba 1 – !érdida" de carga tota
36/;2
Didacta Italia
Ca@t&lo 5.
;50 ;00 350 @ 300 0 2 > 250 m m ? 200 6 ∆
150 100 50 0 0
20
;0
60 2
?lmin@
80
100
2
Fig. 5.15 – !érdida" de carga tota #$aore" indicati$o"
? [l/ min]
∆?2
∆ H
[mm -2A]
>
∆ H >8
8
7
27
:
942
<
<
87
94
5
83
<:
942
547
7<427
5:
942
=
<8
55
942
=47
52427
=:
949
3
=9
3:
949
347 (D)
3:427
9:7
942
mediano = 6.8
©B 347
(A$ – ieometros 3)?) cerrados y circuito presuriado a 2.#3 bares Taba 2 – %&$'a a e"(era
E89D - ?it !eriencias sore el Teore"a :erno&lli
6
Aan&al del Bs&ario
37/;2
$a !eri"entacin
? [l/ min]
∆ H >8
?2
∆-
∆ H
[mm -2A]
>
8
7
27
7
:42
<
<
<
:42
5
83
5
:49
547
7<427
547
:49
=
<8
=
:49
=47
52427
9:
:49
3
=9
99
:49
347 (D)
3:427
92
:49
mediano = <.6
©B 942
(A$ – ieometros 3)?) cerrados y circuito presuriado a 2.#3 bares Taba 3 – %&$'a de comp'erta
? [l/ min]
∆ H >8
∆?
2
[mm -2A]
∆ H >
8
7
27
5:
24=
<
<
997
42
5
83
977
42
547
7<427
957
49
=
<8
2::
49
=47
52427
29:
243
3
=9
287
4:
347 (D)
3:427
2=:
49
mediano = 4.6
©B2848
(A$ – ieometros 3)?) cerrados y circuito presuriado a 2.#3 bares Taba 4 – %&$'a a tronco de cono abierta
38/;2
Didacta Italia
Ca@t&lo 5.
300 250 @ 200 < 2 > m 150 m ? 6 ∆
1 2 3
100 50 0
0
20
;0
60 2
80
100
2
?lBmin@ Fig. 5.16 # !érdida" de carga ocaizada" 1 – $&$'a a e"(era 2 – $&$'a de comp'erta 3 – $&$'a a tronco de cono abierta
E89D - ?it !eriencias sore el Teore"a :erno&lli
6
Aan&al del Bs&ario
39/;2
$a !eri"entacin
;0/;2
Didacta Italia
Ca@t&lo 6.
*.
Ap$ndice 1 - ;ociones para la +e)uridad
El "rupo base está dotado de un interruptor ma"netotérmico diferencial. 7 pesar de esto es oportuno %erificar la presencia de la conexión de tierra en la toma de alimentación. Es oportuno, además, %erificar el buen estado de los cables de alimentación ! el aislamiento de los mismos. Co abrir la porte#uela metálica dotada de lla%e con el e(uipo ba)o tensión. Es aconse)able cerrar la porte#uela transparente del cuadro eléctrico tras haber efectuado la re"ulación de la %elocidad de la bomba. a! (ue prestar mucha atención a la salida ! a las salpicaduras de a"ua. Es aconse)able prestar atención, durante el e%entual despla#amiento del "rupo base, (ue no estén presentes &its 0o partes de los mismos1 sobre el plano de apo!o: se pueden as e%itar cadas con consi"uiente roturas de partes frá"iles. 7 pesar de (ue el monta)e de los &its, no re(uiera necesariamente la presencia de personal especiali#ado, es aconse)able de todos modos (ue el mismo no sea encomendado a personas totalmente inexpertas, a fin de e%itar errores (ue podran comprometer el resultado de la prueba. 9abe recordar (ue, por cuanto no existan potenciales fuentes de peli"ro ni sobre el banco base, ni en los %arios &its, es siempre recomendable obser%ar las normas de se"uridad más elementales.
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Aan&al del Bs&ario
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