150784861-Orificios-y-Boquillas.pdf

BOQUILLAS Y ORIFICIOS |
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA
FACULTA DE INGENIERIA CIVIL
DPTO. ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA
1
INDICE
1) INTRODUCCION..................................................................................................................................................................... 2
2) OBJETIVOS.............................................................................................................................................................................. 2
3) GENERALIDADES.................................................................................................................................................................... 2
4) CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS........................................................................................................................................... 2
4.1) Según el ancho de la pared....................................................................................................................................... 2
4.2) Según la forma ........................................................................................................................................................... 3
4.3) Según sus dimensiones relativas.............................................................................................................................. 4
4.4) Según su funcionamiento.......................................................................................................................................... 4
5) CLASIFICACIÓN DE LAS BOQUILLAS......................................................................................................................................... 4
6) FORMULAS PARA ORIFICIOS.................................................................................................................................................... 5
7) CÁLCULO DE LA VELOCIDAD TEÓRICA Vt.................................................................................................................................. 6
8) COEFICIENTE DE FLUJO........................................................................................................................................................... 6
Coeficiente de descarga Cd.- es la relación entre el caudal real que pasa a través del dispositivo y el caudal teórico. ..................... 6
Coeficiente de velocidad Cv: eslarelaciónentrelavelocidadmediarealenlasecciónrecta de la corriente (chorro) y la velocidad
media ideal que se tendría sin rozamiento..................................................................................................................................... 7
Coeficiente de contracción Cc: relación entre el área de la sección recta contraída de una corriente (chorro) y el área del orificio a
través del cual fluye...................................................................................................................................................................... 7
9) CÁLCULO DEL CAUDAL DE UN ORIFICIO................................................................................................................................... 7
10) DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD Cv ........................................................................................................... 8
11) CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CARGA (hp)................................................................................................................................ 8
12) DESCRIPCION DE LA INSTALACION PARA EL ENSAYO:.............................................................................................................. 9
13) PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO:............................................................................................................................................. 10
14) DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO .............................................................................................................................. 11
15) CUESTIONARIO.................................................................................................................................................................... 12
a. Explique a que se debe la formación de la contracción de un chorro. ....................................................................... 12
b. Deduzca la ecuación general para orificios de grandes dimensiones y poca carga.................................................. 12
c. Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de descarga sumergida...................................................... 14
d. Calcular los coeficientes de descarga Cd y de resistencia de flujo K. ........................................................................ 16
e. Graficar los valores obtenidos de Cd y K versus H/D, agrupándolos en dos curvas ................................................. 16
f. Graficar los datos de caudal Qr versus la carga H....................................................................................................... 17
g. Grafique la trayectoria del chorro y verifique en el mismo gráfico con la trayectoria teórica.................................... 18
h. Comente y haga conclusiones en base a los gráficos presentados, manifestando entre otras cosas las razones de
la concordancia o discrepancia con los valores predichos por la teoría............................................................................... 21
i. Presentar una relación de coeficientes de descarga, de velocidad, de contracción, de pérdidas de carga teóricas,
para diversos tipos de orificios, boquillas y tubos cortos. ..................................................................................................... 22
j. Mencionar la aplicación práctica de tales coeficientes, por ejemplo para el diseño de qué tipo de obras se utilizan.
23
16) BIBLIOGRAFIA:..................................................................................................................................................................... 23

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ORIFICIOS Y BOQUILLAS
1) INTRODUCCION
El estudio de las boquillas se debe a poder realizar una medición aceptable las pérdidas originadas en
las mismas, con lo que se puede conocer cuáles son realmente los volúmenes o caudales que pasan
por un canal o una tubería, esto es de gran importancia en la ingeniería civil para el diseño de canales,
represas, depósitos, etc.
2) OBJETIVOS
 Conocer la clasificación y usos de los orificios y boquillas.
 Determinar el caudal que pasa a través de un orificio y de una boquilla.
 Determinar las ecuaciones y curvas de patronamiento de orificios y de boquillas.
3) GENERALIDADES
El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a través de una
tubería. El orificio en el caso de un recipiente, puede hacerse en la pared o en el fondo. Es una
abertura generalmente redonda, a través de la cual fluye líquido y puede ser de arista aguda o
redondeada. El chorro del fluido se contrae a una distancia corta en orificios de arista aguda.
Las boquillas están constituidas por piezas tubulares adaptadas a los orificios y se emplean
para dirigir el chorro líquido. En las boquillas el espesor de la pared e debe ser mayor entre 2 y
3 veces el diámetro d del orificio.
ORIFICIO BOQUILLA
4) CLASIFICACIÓN DE LOS ORIFICIOS
4.1)Según el ancho de la pared
Orificios de pared delgada
Es un orificio de pared delgada si el único contacto entre el líquido y la pared es alrededor de
una arista afilada y e < 1.5d, como se observa en la siguiente figura. Cuando el espesor de la
pared es menor que el diámetro (e < d) no se requiere biselar.

3
3
Orificios de pared gruesa
La pared en el contorno del orificio no tiene aristas afiladas y 1.5d < e < 2d. Se presenta
adherencia del chorro líquido a la pared del orificio.
4.2) Según la forma
 Orificios circulares.
 Orificios rectangulares.
 Orificios cuadrados.

4
4
4.3) Según sus dimensiones relativas
Según Azevedo, N y Acosta, A. Netto los orificios se pueden clasificar según sus dimensiones
relativas así:
Orificios pequeños Si d<~~H
Orificios grandes Si d>~~H
d: diámetro del orificio.
H: profundidad del agua hasta el centro del orificio.
4.4) Según su funcionamiento
Orificios con descarga libre. En este caso el chorro fluye libremente en la atmósfera siguiendo
una trayectoria parabólica.
Orificios con descarga ahogada. Cuando el orificio descarga a otro tanque cuyo nivel está por
arriba del canto inferior del orificio, se dice que la descarga es ahogada. El funcionamiento es
idéntico al orificio con descarga libre, pero se debe tener en cuenta la carga h es entre la
lámina de flujo antes y después del orificio.
5) CLASIFICACIÓN DE LAS BOQUILLAS
Cilíndricas.- también denominadas boquillas patrón y de comportamiento similar al de un

5
5
orificio de pared gruesa. Aquellas, a su vez, están divididas en interiores y exteriores. En las
boquillas interiores (o de Borda) la contracción de la vena ocurre en el interior, no
necesariamente el chorro se adhiere a las paredes y presenta un coeficiente de descarga que
oscila alrededor de 0.51 (Azevedo, N. y Acosta, A., 1976). Para el caso de boquillas cilíndricas
externas con la vena adherida a las paredes se tiene un coeficiente de descarga de 0.82 (Azevedo, N. y
Acosta, A., 1976), ver Tabla III.1.
Cónicas.- con estas boquillas se aumenta el caudal, ya que experimentalmente se verifica que
en las boquillas convergentes la descarga es máxima para q = 13 30´, lo que da como resultado
un coeficiente de descarga de 0.94 (notablemente mayor al de las boquillas cilíndricas). Las
boquillas divergentes con la pequeña sección inicial convergente se denominan Vénturi,
puesto que fueron estudiadas por este investigador, que demostró experimentalmente que un
ángulo de divergencia de 5 grados y e = 9d permite los más altos coeficientes de descarga.
6) FORMULAS PARA ORIFICIOS
El caudal que pasa a través de un orificio de cualquier tipo, está dado por la siguiente
ecuación general de patronamiento:
Q : caudal.
K : constante característica del orificio.
H : carga hidráulica medida desde la superficie hasta el centro del orificio.
m : exponente.

6
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7) CÁLCULO DE LA VELOCIDAD TEÓRICA Vt
Aplicando la ecuación de energía entre 1 y 2, en la Figura se tiene:
Para el caso de un estanque libre la velocidad presión y relativa son nulas (V1=0,
P1=0), si el chorro en 2 está en contacto con la atmósfera P2=0, y despreciando
pérdidas hp, se tiene que la velocidad teórica en 2 es:
8) COEFICIENTE DE FLUJO
Coeficiente de descarga Cd.- es la relación entre el caudal real que pasa a través del dispositivo y el
caudal teórico.
Q : caudal
VR : velocidad real
Ach : área del chorro o real
Vt : velocidad teórica
A0 : área del orificio o dispositivo
H : carga hidráulica
Este coeficiente Cd no es constante, varía según el dispositivo y el Número de Reynolds,
haciéndose constante para flujo turbulento (Re>105). También es función del coeficiente de
velocidad Cv y el coeficiente de contracción Cc.

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Coeficiente de velocidad Cv: es la relación entre la velocidad media real en la sección recta de la
corriente (chorro) y la velocidad media ideal que se tendría sin rozamiento.
Coeficiente de contracción Cc: relación entre el área de la sección recta contraída de una corriente
(chorro) y el área del orificio a través del cual fluye.
9) CÁLCULO DEL CAUDAL DE UN ORIFICIO
Para determinar el caudal real en un orificio se debe considerar la velocidad real y el área real,
por tal razón se deben considerar los coeficientes de velocidad Cv y contracción Cc.

8
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10) DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD Cv
Si se desprecia la resistencia del aire, se puede calcular la velocidad real del chorro en función
de las coordenadas rectangulares de su trayectoria X, Y, Figura III.5. Al despreciar la resistencia
del aire, la velocidad horizontal del chorro en cualquier punto de su trayectoria permanece
constante y será:
Vh : velocidad horizontal.
X : distancia horizontal del punto a partir de la sección de máxima contracción.
t : tiempo que tarda la partícula en desplazarse.
La distancia vertical Y recorrida por la partícula bajo la acción de la gravedad en el
mismo tiempo t y sin velocidad inicial es:
Reemplazando y teniendo en cuenta que Vh =Vr.
Teniendo en cuenta que , se obtiene:
Haciendo varias observaciones, para cada caudal se miden H, X y Y, se calcula el Cv
correspondiente. Si la variación de Cv no es muy grande, se puede tomar el valor
promedio como constante para el orificio.
11) CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CARGA (hp)

9
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y despejando las perdidas hp
Pero H es función de V y Cv así:
Reemplazando en la ecuación de pérdidas
Finalmente
Donde el coeficiente de pérdida por el orificio Ko está dado por:
12) DESCRIPCION DE LA INSTALACION PARA EL ENSAYO:
La instalación consiste en un depósito de forma rectangular; en el cuál ingresa el agua por un
tubo mediante una bomba. El tubo acaba dentro del depósito con ranuras laterales, cuyo fin es
tranquilizar el ingreso del agua al depósito. En la pared anterior del depósito existe un orificio
redondo donde se pueden encajar diferentes accesorios consistentes en diversos tipos de
boquillas y orificios, los cuales son sujetos por medio de una brida ajustada con pernos tipo
mariposa.
Dentro del depósito existe una plancha batiente de umbral inferior a las paredes que viene
sostenido y controlado por dos cables, regulables desde un eje. Sobre el umbral de la
compuerta batiente vierte el exceso de agua bombeado que no sale por el orificio o boquilla.
La compuerta batiente permite a la vez regular el nivel del agua en el depósito para diversas
posiciones, a la vez de obtener un estado permanente. El exceso de agua pasa a un
compartimento al costado desde donde se deriva a un desagüe.

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Sobre el umbral de la compuerta batiente vierte el exceso de agua bombeado que no sale
por el orificio o boquilla. La compuerta batiente permite a la vez regular el nivel del agua en
el depósito para diversas posiciones, a la vez de obtener un estado permanente. El exceso
de agua pasa a un compartimiento al costado desde donde se deriva a un desagüe.
CORTE POSTERIOR DEL DEPÓSITO
Instrumentación:
El nivel del agua en el depósito se mide en un recipiente provisto de un limnímetro de
punta doble. Este recipiente está conectado con el depósito por medio de una manguera
que hace un vaso comunicante. El limnímetro de punta doble está calibrado para medir el
nivel en el depósito respecto al eje del orificio o boquilla.
Para medir la descarga hay un canal que recoge las aguas vertidas a través de la boquilla
u orificio, el cual acaba en un vertedero de pared delgada de sección triangular. Para medir
la descarga basta con medir la carga sobre el vertedero en un limnímetro de punta
invertida colocado al costado del canal de acercamiento, y referirse a una tabla adjunta
calibrada de carga sobre el vertedero vs. Caudal.
Otro instrumento será un vernier para medir las dimensiones de la boquilla.
13) PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO:
1. Familiarizarse en forma teórica y práctica como instalación del ensayo
2. Medir las dimensiones de la boquilla, diámetro interno y longitud utilizando el vernier.
3. Llenar el depósito con agua.
4. Establecer un nivel y carga H constante en el depósito manipulando la compuerta
batiente.
5. Realizar las siguientes mediciones simultáneas
 La carga H en el limnímetro de punta doble
 El caudal Q r utilizando el vertedero triangular
 Trazar la trayectoria del chorro de agua.
6. Repetir

11
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14) DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
ETAPA
H altura de
maquina
h altura
vertedero
Qv
1 64.970 114.000 1.480
2 62.750 111.430 1.402
3 50.790 107.000 1.270
4 41.450 103.000 1.150
5 31.090 97.000 0.990
6 24.490 92.000 0.860
D orificio 3.000 cm
ETAPA 1:
1ra etapa d 2.395 cm
X Y Vr (cm/s) Vprom Cv Cv prom
10.000 1.200
15.000 1.500 271.247 0.760
20.000 2.500 280.143 297.433 0.785 0.833
40.000 8.000 313.209 0.877
50.000 11.600 325.133 0.911
ETAPA 2
2da etapa d 2.515 cm
11.000 1.000
16.000 1.500 289.330 0.825
21.000 2.600 288.438 305.049 0.822 0.869
41.000 8.100 319.052 0.909
51.000 12.200 323.377 0.922
ETAPA 3
3ra etapa d 2.540 cm
11.000 1.100 232.282 0.736
16.000 2.200 238.907 0.757
18.000 3.000 230.161 255.833 0.729 0.810
41.000 10.000 287.146 0.910
51.000 15.100 290.671 0.921

12
12
ETAPA 4
4ta etapa d 2.370 cm
11.000 1.100
16.000 2.100 244.529 0.857
21.000 3.100 264.154 261.807 0.926 0.918
41.000 11.500 267.765 0.939
51.000 17.400 270.779 0.950
ETAPA 5
11.000 1.800
16.000 2.400 228.736 0.926
21.000 4.300 224.287 231.751 0.908 0.938
41.000 14.500 238.462 0.966
51.000 23.000 235.519 0.954
ETAPA 6
11.000 1.900
16.000 3.000 204.587 0.933
21.000 5.200 203.956 208.537 0.930 0.951
41.000 18.000 214.026 0.976
51.000 28.500 211.576 0.965
15) CUESTIONARIO
a. Explique a que se debe la formación de la contracción de un chorro.
La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o
cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una
descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli).
Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo
componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente,
cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al
estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de
gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno
b. Deduzca la ecuación general para orificios de grandes dimensiones y poca carga.
En grandes orificios, la velocidad varía en los diferentes puntos de la sección del orificio con la altura z, a
no ser que el orificio esté situado en el fondo del depósito. El caudal infinitesimal que circula a través de
la sección (ldz), es:

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Orificios con contracción incompleta, se hacen coincidir uno o más lados del orificio con las paredes
laterales y desaparece la contracción en ése o esos lados. Se puede hablar de dos tipos de contracción
incompleta en un orificio.
Cuando las paredes o el fondo del recipiente se encuentran a distancias inferiores a 3D (D es el
diámetro de los orificios) o bien, a 3 a (a, dimensión mínima en orificios rectangulares), se dice que la
contracción en el orificio es parcialmente suprimida.
Si se llega al caso extremo en que una de las fronteras del recipiente coincida con una arista del orificio,
se dice que la contracción es suprimida en esa arista; en tal caso el orificio se apoya sobre la pared del
recipiente.
En el caso de contracción parcialmente suprimida, se puede utilizar la siguiente ecuación empírica para
calcular el coeficiente de gasto a saber:
Donde Cd es el coeficiente de gasto del orificio; Cdo el coeficiente de gasto del mismo orificio con
contracción completa; A0 el área del orificio; Ar el área de la pared del recipiente en contacto con el
agua.
A
0
Ar

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c. Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de descarga sumergida.
Cuando el orificio descarga a otro tanque, que cuyo nivel está por arriba del canto inferior del orificio, se
dice que la descarga es ahogada. El ahogamiento puede ser total o parcial.
AHOGAMIENTO TOTAL
AHOGAMIENTO PARCIAL
En el caso de descarga ahogada total se puede derivar una ecuación análoga a la general
, con la única diferencia que la energía total H es entonces AH (diferencia de niveles entre los dos
recipientes); el gasto es entonces:
Se recomienda utilizar el mismo coeficiente de gasto Cd que el de un orificio de descarga libre.
Cuando el ahogamiento es parcia, el gasto total descargado por el orificio se puede expresar como la
suma Q1 y Q2, donde Q1 es el gasto correspondiente a la porción del orificio con descarga ahogada, es
decir:
y Q2 es el gasto de la porción del orificio con descarga libre, a saber:

15
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No hay investigaciones confiables acerca de los coeficientes de gasto Cd1 y Cd2 al respecto, Schlag
propone que Cd1=0.70 y Cd2=0.675, en el caso de que el orificio tenga un umbral de fondo.
Defina y clasifique ampliamente acerca de los orificios de pared gruesa.
Cuando la pared en el contorno de un orificio no tiene aristas afiladas, el orificio es de pared gruesa o
tubo corto.
En este tipo de orificio se observa que el chorro, una vez que ha pasado la sección contraída,
tiene todavía espacio dentro del tubo para expandirse y llenar la totalidad de la sección. Entre la sección
contraída y la final ocurre un rápido descenso de la velocidad acompañado de turbulencia y fuerte
pérdida de energía. Por un razonamiento análogo al de los orificios de pared delgada.
Tubo corto
Tubos cilíndricos rentrantes

16
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Tubos cilíndricos para aristas agudas y redondeadas.
d. Calcular los coeficientes de descarga Cd y de resistencia de flujo K.
ETAPA Vr Vt A boq A chorro Qr (lt/s) Qt (lt/s) Cc Cv Cd K
1 297.433 357.031 7.069 4.505 1.340 2.524 0.637 0.833 0.531 0.441
2 305.049 350.878 7.069 4.968 1.515 2.480 0.703 0.869 0.611 0.323
3 255.833 315.674 7.069 5.067 1.296 2.231 0.717 0.810 0.581 0.523
4 261.807 285.175 7.069 4.412 1.155 2.016 0.624 0.918 0.573 0.186
5 231.751 246.979 7.069 4.870 1.129 1.746 0.689 0.938 0.646 0.136
6 208.537 219.202 7.069 4.948 1.032 1.549 0.700 0.951 0.666 0.105
e. Graficar los valores obtenidos de Cd y K versus H/D, agrupándolos en dos curvas
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000
Coeficientes
H/D
Gráfico H vs K & H vs Cd
K
Cd
Lineal (K)
Lineal (Cd)

17
17
f. Graficar los datos de caudal Qr versus la carga H.
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
1.600
0.000 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000
Qr
H
Gráfico H vs Qr

18
18
g. Grafique la trayectoria del chorro y verifique en el mismo gráfico con la trayectoria teórica.
ETAPA 1
ETAPA 2

19
19
ETAPA 3
ETAPA 4

20
20
ETAPA 5
ETAPA 6

21
21
h. Comente y haga conclusiones en base a los gráficos presentados, manifestando entre otras cosas
las razones de la concordancia o discrepancia con los valores predichos por la teoría.
Los datos obtenidos sufren de una serie de errores debido al error de cada sistema que se utilizo
para hallar cada uno de los datos, estas inexactitudes generan una diferencia entre los resultados
teóricos y los resultados obtenidos.
Al analizar las curvas se hace notar que las graficas de Cd en todos los puntos tiene la misma
desviación estándar lo cual genera un error general en la toma de todos los puntos, con lo que se
concluye que es un error de calibración al no ser aleatorio. Uno de los puntos se hace notar que no
guarda la misma relación con los demás y este es el que menor carga tenia por lo cual se concluye que
para caudales menores de 1.69 l/s dicho dispositivo arrojara valores fuera del rango, por lo que se
tendría que utilizar un dispositivo de mayor calibración.
Al analizar las curvas de trayectoria del fluido el punto de referencia se toma a una distancia de 0.5 cm
del orificio, con lo cual la Vr se ve distorsionada ya que en ese punto no es horizontal, esto se hace
notorio en las graficas de ajustes la cual se realizo por mínimos cuadrados en la que los primeros
puntos de cada medición siempre están debajo de la curva ajustada. Además cuanto mayor es el caudal
también se nota mayor distorsión en la trayectoria.

22
22
i. Presentar una relación de coeficientes de descarga, de velocidad, de contracción, de pérdidas de
carga teóricas, para diversos tipos de orificios, boquillas y tubos cortos.

23
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j. Mencionar la aplicación práctica de tales coeficientes, por ejemplo para el diseño de qué tipo de
obras se utilizan.
 En la industria automotriz en la alimentación de diferentes equipos como los carburadores.
 En la industria de limpieza, en la cantidad de gases contaminantes que genera o desfoga una
maquinaria, o en los lavadores dinámicos de roció para la eliminación de material suspendido.
 En la ingeniería mecánica para la elaboración de dispositivos de corte por chorro.
 En la ingeniería civil para el diseño de canales y vertederos, así como cálculo del caudal real.
 Y así en un sinfín de ramas en las cuales se necesite realizar la medición del flujo que pasa por
una sección.
16) BIBLIOGRAFIA:
 Domínguez F. Hidráulica: Editorial Universitaria Universal de Chile 5ta ed. 1974
 King H. Manual de Hidráulica UTEHA México 1993
 Sotelo A. G. Hidráulica General. Vol 1 : Fundamentos. Editorial Limusa S.A. De C.V.
México 1989
 Streeter V. Mecánica de los Fluidos; McGraw Hill Book Company. España – 1968.

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