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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO-PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA “AÑO DEL DIALOGO Y LA RECONCILIACIÓN NACIONAL”

ENSAYO DE LABORATORIO: FUERZA DE IMPACTO DE CHORRO Autores:

Asencio Palma, Sthefano Cruz Nieves, José Manya Huangal, Joao Menacho Abanto, José Pacheco Flores, Adrián Ponce Vásquez, Hector Risco estrada, Kento Roncal Barreto, Gerardo Ticlia Cruzado, José Miguel

Materia:

Mecánica de Fluidos I

Docente: Ing. Luis Julca Verástegui Trujillo – Perú 2018

ÍNDICE

Resumen

Introducción

Objetivos

Fundamento Teórico

Equipos, materiales e instrumentos

Procedimiento

Datos experimentales

Procesamiento de datos

Resultados

Conclusiones

Referencias bibliográficas

ENSAYO DE LABORATORIO: FUERZAS DE IMPACTO DE CHORRO 1. Resumen El presente informe describe los detalles del trabajo hecho en laboratorio, correspondiente al tema de impacto de fuerzas de chorro, realizado en el equipo de ensayos diseñado y manufacturado por trabajo conjunto de alumnos y docentes de la escuela de ingeniería mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo. El trabajo consistió en medir las fuerzas de un chorro de agua vertical (se hizo vertical con ayuda de unas gotas de nivel, ubicadas en las bases del equipo, y el diseño de la tubería de entrada del agua) mediante un dinamómetro modificado, que está fijo en la parte superior del equipo de ensayo, el cual va conectado a una superficie de impacto del chorro, para diferentes diámetros de salida en las toberas de presión. El impacto pudo ser medido correctamente con relativamente poco porcentaje de error, debido a los instrumentos de medición, encontrando así la relación que guarda con el diámetro de la boquilla (tobera), asimismo las demás variables que se relacionan a la misma, como lo veremos en el marco teórico, las cuales pueden ser la presión, caudal volumétrico, caudal másico, velocidad de entrada, potencia de la bomba que suministra el flujo, etc. Finalmente, las conclusiones arrojan la dependencia de la fuerza de impacto del chorro con el diámetro, y se descubrirá si son directa o inversamente proporcionales estas dos magnitudes. Se espera de este informe, utilidad en cuanto al tema se refiere, asimismo la generación de conocimiento y práctica en el área.

2. Introducción De la observación de las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento, nace la idea de que éstos pueden ser aprovechados como fuentes impulsoras, que producen potencia y energía, los cuales conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes y motores de propulsión. Para este tipo de aplicaciones, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente, y para resolver todos los problemas que se presentan en la mecánica de fluidos centrada sólo en dichos proyectos, es necesario el apoyo del principio de la cantidad de movimiento. No queda entonces desprevenida la importancia de estudiar la fuente que impulsó a diseñar todos estos dispositivos, como lo es el chorro, y la fuerza que porta, o mejor dicho, la cantidad de movimiento que presenta, y la utilidad que se le da aprovechando su energía cinética.

En este informe se verá la importancia del principio de cantidad de movimiento, el análisis según el punto de vista de Reynolds, al usarla en u ecuación de transporte, y la aplicación en el cálculo, medición y análisis experimental de las fuerzas de chorro en el equipo que hemos diseñado para tal labor.

3. Objetivos: A. Determinar experimentalmente la fuerza de impacto de un chorro. B. Estudiar la variación de la fuerza de chorro con el caudal. C. Obtener la gráfica coeficiente de fuerza vs número de Reynolds

4. Fundamento Teórico: Una manera de producir trabajo mecánico con un fluido bajo una presión, es utilizar la presión para acelerar el fluido a una alta velocidad sobre un alabe, así la se ejerce una fuerza, que se puede utilizar para varios diseños como bombas turbinas etc. Principio de la cantidad de movimiento Las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente para resolver todos los problemas que se presentan y por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento. Ecuación de momento para un volumen de control fijo: 𝑅⃗𝑒 =

𝜕 (∭ 𝜌 ⋅ 𝑣 ⋅ 𝑑∀𝑐 ) + ∯ 𝜌 ⋅ 𝑣 ⋅ (𝑣̅ ⋅ 𝑑𝐴̅) 𝜕𝑡 ∀𝑐

𝑠𝐶

𝜕𝑞 𝜕(𝑚𝑣 ) 𝜕𝑣 = =𝑚⋅ = 𝑚𝑎 = 𝑅⃗𝑒 𝜕𝑡 𝜕𝑡 𝜕𝑡 𝑅⃗𝑒 : Fuerza Resultante debido a las fuerzas externas que se ejercen en el sistema 𝑅⃗𝑒 = ∑𝐹𝑒 = ∑𝐹𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 + ∑𝐹𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 = ∑𝐹𝑝𝑒𝑠𝑜 + ∑𝐹𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 + ∑𝐹𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑎𝑠 + ∑𝐹𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑡: tiempo ∀𝑐 : volumen de control 𝜌: densidad del fluido 𝑣̅ : vector velocidad del volumen de control 𝑑𝐴̅: vector diferencial de área de la superficie de control Esta ecuación establece la suma de las fuerzas (de superficie y másicas) que actúan sobre un

volumen de control no acelerado, es igual a la relación de cambio de momento dentro del volumen de control, más la relación neta de flujo de momento que sale a través de la superficie de control. Aplicaciones: Las turbinas son dispositivos que producen energía a partir de un fluido que pasa por ella, están constituidos por un conjunto de álabes ajustados al eje de la turbina recibiendo el nombre de rodete o rotor. El flujo a través de una turbo máquina puede ser: axial, radial o mixto. La máquina de flujo axial (turbina Francis) maneja grandes gastos, con alto rendimiento. Para una turbina de impulso o de reacción (turbina Pelton) no existe aceleración del fluido respecto al álabe, es decir, trabaja a velocidad constante. En general, la energía del fluido que se transmite a los álabes (o rotor) es convertida en energía mecánica y ésta a su vez puede ser transformada en energía eléctrica, como sucede en las plantas hidroeléctricas.

Fuerza producida por un chorro de agua: La velocidad v del fluido que sale de la boquilla de sección A, se calcula como: v = Qt A. Se supone que la magnitud de la velocidad no varía al pasar el flujo por el deflector, cambiando sólo su dirección. La segunda ley de Newton aplicada al flujo una vez desviado, proporciona: Fy = Qmv (cos θ + 1),

Donde: 

Fy es la fuerza ejercida por el deflector sobre el fluido.



Qm es el flujo másico. Qm = ρQt = ρAv.



Qt el el flujo volumétrico.

En una situación de equilibrio estático, Fy queda compensada por la carga aplicada W = mg, con lo que: W = ρAv2 (cos θ + 1) La pendiente s de un gráfico que represente la fuerza W en función de v2, es por tanto s = ρA (cos θ + 1) Nótese que θ = 180◦ − α, donde α es el ángulo de deflexión.

5. Equipos, materiales e instrumentos  Tobera de 7.5 mm.  Alabes de 90°,120° y 180°  Unas pesitas pequeñas  Agua  Un caudalimetro  Sistema de tuberías  Un motor  Mecanismo de impacto de chorro  Una Manguera

6. Procedimiento II.

Primero identificamos los elementos a usar en el desarrollo experimental, las variables a utilizar y constantes previamente definidas en el marco teórico

III.

El experimento a continuación se realizara para 1 toberas, además para la tobera se variara el alabe que recibe el impacto del chorro de fluido hasta en 4 oportunidades por cada alabe se usaran 4 caudales para determinar l fuerza Y

IIII.

Antes de instalar el mecanismo de impacto a chorro, verificamos el estado del sistema de tuberías y el estado del mecanismo de impacto a chorro

IIV.

Ya seleccionada una tobera, colocamos el primer alabe con el cual vamos a comenzar el experimento

IV.

Pasamos a llenar el recipiente del sistema de tuberías, luego a la salida del sistema de tuberías se conecta el extremo de una manguera mientras que en el otro extremo se conecta el mecanismo de impulsión a chorro

IVI.

• Luego se coloca el mecanismo de impacto a chorro en lugar estable y pasamos a tomar nivel, una vez terminada esta operación pasamos a encender la bomba la cual hará que se forme un chorro que impacte contra el alabe elevando una plataforma circular en nuestro mecanismo, teniendo en cuenta que lo haremos para diferentes caudales para un mismo alabe y tobera

IVII.

Luego para calcular la fuerza experimental que es uno de nuestro principales objetivos en este informe utilizaremos pesas graduadas que se colocaran sobre la superficie levantada hasta que esta empiece a ceder, entonces la fuerza del chorro y las pesas se encontraran equilibradas y dicho peso será la fuerza Y

IVIII.

Repetiremos los últimos dos pasos otras tres veces para los 3 alabes restantes, los cuales tienen diferentes ángulos, recordando siempre que usaremos 4 caudales para cada alabe y obtendremos el comportamiento de la fuerza de impacto de chorro para distintos superficies de impacto

7. Datos experimentales Se recopilaron los siguientes datos para cada tobera.

TOBERA ALABE 90°

DIAMETRO (mm) CAUDAL (L/min) 20 22.5 25 30

7.5 MASAS (g) 230 310 380 580

TOBERA ALABE 180°

DIAMETRO (mm) CAUDAL (L/min) 15 17.5 20 22.5

7.5 MASAS (g) 220 320 450 530

TOBERA ALABE 120°

DIAMETRO (mm) CAUDAL (L/min) 17.5 20 22.5 25

7.5 MASAS (g) 280 350 480 580

8. Procesamiento de datos 8.1. Procesamiento de datos Experimental

ALABE 90°

VELOCIDAD (m/s) 7.54831 8.49185 9.43539 11.32246

FUERZA (N) 2.2563 3.0411 3.7278 5.6898

Re 56499.0942 63561.48098 70623.86775 84748.6413

CD 1.7972345 1.9139631 1.9003802 2.0142918

ALABE 90° 2.05 2

CD

1.95

1.9 1.85 1.8 1.75 50000

55000

60000

65000

70000

75000

80000

85000

90000

RE

ALABE 180°

VELOCIDAD (m/s) 5.66123 6.60477 7.54831 8.49185

FUERZA (N) 2.1582 3.1392 4.4145 5.1993

Re 42374.32065 49436.70743 56499.0942 63561.48098

CD 3.0561669 3.2659595 3.5163284 3.2722595

ALABE 180° 3.6 3.5

CD

3.4 3.3 3.2 3.1 3 37000

42000

47000

52000

57000

62000

67000

RE

ALABE 120°

VELOCIDAD (m/s) 6.60477 7.54831 8.49185 9.43539

FUERZA (N) 2.7468 3.4335 4.7088 5.6898

Re 49436.70743 56499.0942 63561.48098 70623.86775

CD 2.8577145 2.7349221 2.9635558 2.9005802

ALABE 120° 3 2.95

CD

2.9 2.85 2.8 2.75 2.7 45000

50000

55000

60000 RE

65000

70000

75000

Graficas Superpuestas 4 3.5

CD

3 90° 2.5

180°

120°

2 1.5 40000

45000

50000

55000

60000

65000

70000

75000

80000

85000

90000

Re

8.2. Procesamiento de datos Teóricos

ALABE 90° D (m) 0.0075 0.0075 0.0075 0.0075

A (m^2) 4.4156E-05 4.4156E-05 4.4156E-05 4.4156E-05

m(Kg/s) Q (m^3/s) v (m/s) 0.33267 0.00033 7.54895 0.37425 0.00038 8.49257 0.41583 0.00042 9.43619 0.49900 0.00050 11.32343

Fy (N) 2.51128 3.17834 3.92388 5.65039

Re 56503.89 63566.88 70629.87 84755.84

CD 2.00 2.00 2.00 2.00

ALABE 90° 4.50 4.00 3.50 3.00

CD

2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 55000.00

60000.00

65000.00

70000.00

75000.00 RE

80000.00

85000.00

90000.00

ALABE 180° D (m) 0.0075 0.0075 0.0075 0.0075

A (m^2) 4.4156E-05 4.4156E-05 4.4156E-05 4.4156E-05

m(Kg/s) Q (m^3/s) 0.25000 0.00025 0.29167 0.00029 0.33333 0.00033 0.41667 0.00042

v (m/s) 5.66171 6.60533 7.54895 9.43619

Fy (N) 2.83086 3.85311 5.03263 7.86349

Re 42377.92 49440.91 56503.89 70629.87

CD 4.01 4.01 4.01 4.01

ALABE 180° 4.50 4.00 3.50

CD

3.00 2.50 2.00 1.50

1.00 0.50 0.00 40000.00

45000.00

50000.00

55000.00

60000.00

65000.00

70000.00

75000.00

RE

ALABE 120° D (m) 0.0075 0.0075 0.0075 0.0075

A (m^2) 4.4156E-05 4.4156E-05 4.4156E-05 4.4156E-05

m(Kg/s) Q (m^3/s) 0.29167 0.00029 0.33333 0.00033 0.37500 0.00038 0.41667 0.00042

v (m/s) 6.60533 7.54895 8.49257 9.43619

Fy (N) 2.89072 3.77563 4.77853 5.89942

Re 49440.91 56503.89 63566.88 70629.87

CD 3.01 3.01 3.01 3.01

ALABE 120° 4.50 4.00 3.50

CD

3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 45000.00

50000.00

55000.00

60000.00

65000.00

70000.00

75000.00

RE

GRAFICAS SUPERPUESTAS 90°

180°

120°

4.50 4.00 3.50

CD

3.00

2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 40000.00 45000.00 50000.00 55000.00 60000.00 65000.00 70000.00 75000.00 80000.00 85000.00 90000.00

RE

9. Resultados 10. Conclusiones A medida que el número de Reynolds va aumentando, la fuerza resultante del impacto a chorro va aumentando. A medida que la fuerza resultante del impacto chorro aumenta, el flujo másico va aumentando. El impacto a chorro es útil para el aprovechamiento de la energía que trae el flujo de agua. Podemos conocer la fuerza resultante que se genera por el impacto de chorro al golpear la superficie.

11. Referencias bibliográficas 

http://fullturbomaquinasinf1.blogspot.com/



https://es.slideshare.net/damiansolis712/lab-8-impacto-de-chorro?from_action=save



https://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_movimiento



http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S166564232005000200 003&lng=es&nrm=iso&tlng=es