TALLER Y PRÁCTICA N°2: MEDIDORES DE FLUJO CRÍTICO
VALENTINA LAGOS TABARES – 1094949242 JOSÉ DAVID GUERRERO PÉREZ – 95112300920
REVISADO POR: HERNÁN ALONSO ARISTIZÁBAL ÁLZATE INGENIERO CIVIL. Especialista en Ingeniería Sanitaria y Ambiental. M. Sc. TITULAR DE LA ASIGNATURA DE HIDRÁULICA II.
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
ARMENIA, QUINDÍO OCTUBRE 2016
HIDRÁULICA II Taller y práctica N°2: medidores de flujo crítico.
Presentado por: Valentina Lagos T. José D. Guerrero P.
TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCIÓN. ..................................................................................................... 3 2. OBJETIVOS. ............................................................................................................ 4 2.1
Objetivos generales. .......................................................................................... 4
2.2
Objetivos específicos. ........................................................................................ 4
3. CONSULTA SOBRE DISPOSITIVOS MEDIDORES DE CAUDAL. ......................... 5 3.1. Canaleta Parshall. .............................................................................................. 5 3.2
Canaleta HS / H / HL. ......................................................................................... 8
3.3
Canaleta trapezoidal. ....................................................................................... 11
3.4
Canaleta Montana. ........................................................................................... 14
3.5
Canaleta RBC. ................................................................................................. 16
3.6
Canaleta Palmer-Bowlus. ................................................................................. 19
3.7
Canaleta Cutthroat. .......................................................................................... 22
4
PROCEDIMIENTOS Y CHEQUEOS DEL DISEÑO. .............................................. 25
5
PLANOS A ESCALA, EN PLANTA Y PERFIL. ....................................................... 38
6
MEMORIA DEL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN................................................ 39
7
CONCLUSIONES. .................................................................................................. 43
8
RECOMENDACIONES........................................................................................... 44
9
BIBLIOGRAFÍA. ...................................................................................................... 45
10 DECLARACIÓN DE PARTICIPACIÓN. .................................................................. 46
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1. INTRODUCCIÓN. Los medidores en régimen crítico son estructuras hidráulicas o secciones de control cuya interposición en un flujo a superficie libre obliga el establecimiento de un régimen crítico. La condición de régimen crítico, en la sección de control, permite establecer una relación de descarga vs. Profundidad, Q vs. Y, por lo cual, a ciertas estructuras se les denomina aforadores o medidores en régimen crítico. El valor del agua cada vez aumenta, uno de los sistemas donde más se implementa es en los de irrigación, por lo tanto, se requiere una medición precisa para gestionar adecuadamente este recurso invaluable; de los dispositivos de muchos con este propósito, la canaleta Parshall es uno de los más ampliamente aceptados y utilizados, aunque este aforador se utiliza más que todo en sistemas de riego también puede ser utilizado para medir el agua que fluye en un canal abierto. Por la importancia que tiene un aforador Parshall dentro de la hidráulica, es necesario conocer cuáles son los requerimientos mínimos para su elaboración, así como sus dimensiones y su clasificación; por lo tanto, en el siguiente trabajo se presenta las características más importantes relacionadas con la construcción de dicho canal.
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2. OBJETIVOS. 2.1 Objetivos generales.
Conocer y consultar el mecanismo de funcionamientos de los distintos aforadores como lo son Parshall, Trapezoidal, HS/H/HL, Montana, RBC, Palmer-Bowlus y Cutthroat como estructura hidráulica que permiten medir la cantidad de flujo que pasa por la sección de un canal, además de sus parámetros constructivos.
Diseñar y construir un aforador tipo Parshall aplicando los conceptos aprendidos en el curso de hidráulica de canales.
2.2 Objetivos específicos.
Realizar chequeos al diseño de la canaleta por medio de las ecuaciones y conocimientos adquiridos durante el curso.
Mediante una ecuación matemática obtener el caudal que afora el canal diseñado de acuerdo a un ancho de garganta especifico.
Dibujar el plano en planta y en perfil de la canaleta a diseñar.
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3. CONSULTA SOBRE DISPOSITIVOS MEDIDORES DE CAUDAL. 3.1. Canaleta Parshall.
¿Cómo funciona cada canaleta?
Funciona como un dispositivo de control de hidráulico que se coloca en una corriente haciendo que el flujo se acelere gracias a las contracciones laterales en sus paredes paralelas y a una caída en la elevación del suelo. La contracción y la caída hacen que se acelere el flujo de un estado lento, subcrítico a uno supercrítico. Los aforadores de garganta corta como el Parshall tienen un solo punto de medición (Ha) en el que el caudal se puede determinar. Una lectura de nivel tomado aguas arriba del punto de medición resultará en el canal durante la lectura, mientras que una lectura tomada aguas abajo tendrá como resultado en el canal como el flujo se acelera y la superficie del agua se atrae hacia la garganta.
¿Cuáles son sus secciones o componentes?
Consta de cuatro partes principales: 1. Transición de entrada: se presenta a la entrada de la canaleta como un cambo convergente en la sección transversal y elevación suave sobre el nivel inicial. 2. Sección convergente: sección contigua a la transición de entrada, de pendiente horizontal y paredes convergentes. 3. Garganta: parte contigua a la sección convergente, presenta disminución en el nivel mediante una pendiente, y ancho entre las paredes constantes. 4. Sección divergente: última sección de la canaleta Parshall, el nivel de la solera aumenta con pendiente de tal forma que obtenga el nivel justo antes de la entrada a la canaleta Parshall, acompañada de una divergencia entre las paredes.
Los tamaños existentes.
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Imagen 1: medidas estándar de aforadores parshall tomado de serie autodidacta de medición canal parshall Conagua
Las ventajas y desventajas sobre otros tipos de medidores.
Ventajas de los canales Parshall: 1. El caudal avanza a una velocidad critica atreves de la garganta y con una onda estacionaria en la sección de divergencia. 2. Con un flujo libre el nivel del agua en la salida no es lo bastante elevado como para afectar el caudal a través de la garganta y, en consecuencia, el caudal es proporcional al nivel medido en el punto especificado en la sección de convergencia. 3. Opera con pérdidas de carga relativamente bajas. 4. Para un gasto dado, la perdida de carga es de 75% más pequeña que para otros medidores, bajo las mismas condiciones. 5. El aforador es poco sensible a la velocidad de llegada. Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil -6-
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6. Se logran buenas mediciones sin sumergencia, o inclusive, con sumergencia moderada. 7. Apropiadamente construido mantiene una precisión de 2% para descarga libre, y 1.5% bajo condiciones de sumergencia considerable. 8. Una ventaja del canal de aforo Parshall es que no requiere corrección alguna hasta un 70% de sumergencia. Desventaja de los canales Parshall: Su principal desventaja es que debe construirse de acuerdo a medidas estándar, lo que dificulta y encarece su construcción. Además, no puede combinarse con estructuras de derivación o control. Aunque esta última desventaja ocurre para todos los aforadores.
Sus aplicaciones
La versatilidad del canal Parshall ha visto que se usa en un número diverso de aplicaciones, incluyendo: a. b. c. d. e. f. g. h. i.
Tratamiento de aguas residuales. Monitoreo de cuencas. El escurrimiento de borde de Campo. La filtración de la presa. aforo de caudales. Monitoreo de las descargas industriales. Descarga Mine. Los canales de riego. Medición de la descarga de primavera.
Los materiales típicos para su construcción o fabricación.
Según Open Chanel Flow se fabrican canaletas Parshall en un número de diferentes materiales: 1. 2. 3. 4.
Aluminio. Fibra de vidrio (FRP). Acero galvanizado. Acero inoxidable.
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Incluya esquemas básicos de cada una de las canaletas.
3.2 Canaleta HS / H / HL.
¿Cómo funciona cada canaleta?
Estas canaletas consisten en una sección rectangular, terminada por paredes convergentes cortadas en un talud que le dan una proyección vertical trapezoidal; en esta forma, al aumentar la cabeza de agua, aumenta el ancho de la superficie libre. Las diferentes dimensiones, son proporcionales a su profundidad máxima; por ejemplo, en las canaletas tipo HS la parte más angosta de la garganta es 0,05 veces la profundidad máxima, en la canaleta tipo. H es ele 0,1 veces y en la HL es de 0,2 veces esa profundidad.
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Los tamaños existentes y secciones o componentes.
HS: para gastos bajos en un rango de 0.0024 a 0.0232 m /s. 2. H: para gastos intermedios en el rango de 0.01 a 0.88 m /s. 3. HL: para gastos altos en el rango de 0.59 a 3.31 m /s. 1.
Las dimensiones de fabricación se dan como proporciones de D, pero las proporciones de los lados del aforador, son diferentes para cada uno de los tres tipos HS, H y HL. Aforador HS:
Aforador H:
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Aforador HL:
Las ventajas y desventajas sobre otros tipos de medidores.
Ventajas de las canaletas HS/H/HL: 1. Su principal ventaja es la simplicidad de la construcción. 2. En corrientes naturales donde es necesario medir una amplia gama de descargas, una estructura de tipo v tiene una ventaja de proporcionar una amplia abertura en los altos flujos de modo que no causa efectos de remanso excesivos. Desventajas de las canaletas HS/H/HL: 1.
Las canaletas de este tipo no son recomendables que sean construidas en anchos menores a las 4 pulgadas.
2.
No hay información disponible sobre la precisión, errores para esos canales de flujo para el cual una estimación de la precisión de las ecuaciones de descarga de cabeza o curvas se les da este error y este se puede combinar.
Sus aplicaciones.
Aunque originalmente desarrollado para el control de escorrentía agrícola, la versatilidad del canal H ha visto que se usa en varias aplicaciones: 1. 2. 3.
Seguimiento al filo de Campo Monitoreo de cuencas La filtración de la presa Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 10 -
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4. 5. 6.
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Monitoreo de las descargas industriales Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (apantallado / flujos tratados) Medición de la descarga de primavera
Los materiales típicos para su construcción o fabricación.
Según el Open Channel Flow fabrica canales de flujo de H en un número de diferentes materiales: 1. 2. 3. 4.
Aluminio. Fibra de vidrio (FRP). Acero galvanizado. Acero inoxidable.
Incluya esquemas básicos de cada una de las canaletas.
3.3 Canaleta trapezoidal.
¿Cómo funciona cada canaleta?
Esta canaleta pertenece a la misma categoría que el aforador Palmer –Bowlus, ya que el flujo se puede predecir analíticamente con los principios del flujo crítico, en este caso su garganta larga y paralela permite el flujo cercanamente al crítico, es decir la perdida de carga a lo largo de la distribución se contabilizan teóricamente
¿Cuáles son sus secciones o componentes?
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Los tamaños existentes.
Las ventajas y desventajas sobre otros tipos de medidores.
Ventajas de la canaleta trapecial: 1. El canal operara bajo una mayor inmersión que la mayoría de las otras canaletas sin que sean necesarias correcciones para determinar la descarga correcta. 2. Los detalles constructivos como las transiciones son más fáciles y simplifican trabajo. 3. La principal ventaja es que tienen capacidades mucho mayores que los canales de flujo rectangulares de la misma anchura inferior trapezoidal. Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 12 -
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Desventaja de la canaleta trapecial: 1. La relación entre la cabeza y la descarga no es tan sencilla como la que se da en un canal rectangular. 2. Un pequeño cambio en la cabeza genera grandes cambios en la descarga ya que la sensibilidad es mucho mayor que comparada con otras canaletas.
Sus aplicaciones.
La versatilidad del canal trapezoidal ha visto que se usa en un número diverso de aplicaciones, incluyendo: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Monitoreo de cuencas El escurrimiento de borde de Campo La filtración de la presa Los flujos de zanjas y surcos aforo de caudales Monitoreo de las descargas industriales Los canales de riego Medición de la descarga de primavera
Los materiales típicos para su construcción o fabricación.
Según Open Channel Flow se fabrican canaletas en un número de diferentes materiales: 1. 2. 3. 4.
Aluminio. Fibra de vidrio (FRP). Acero galvanizado. Acero inoxidable.
Incluya esquemas básicos de cada una de las canaletas.
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3.4 Canaleta Montana.
¿Cómo funciona cada canaleta?
Un canal Montana es una estructura de restricción que acelera el flujo a través de una contracción de las paredes laterales paralelas. A falta de las secciones de la garganta y de descarga del canal Parshall, saliendo por el mismo canal de Montana se derrama directamente fuera del extremo del canal. La contracción y derramar la descarga acelerar el flujo de un estado subcrítico lento para una supercrítico. Como resultado, el flujo puede determinarse con precisión en el sentido ascendente, la sección del canal de flujo convergente mediante la adopción de una sola lectura de profundidad en un punto específico de medida.
¿Cuáles son sus secciones o componentes?
Los tamaños existentes.
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Las ventajas y desventajas sobre otros tipos de medidores.
Ventajas de la canaleta montana: 1. La curva de gastos estándar para la canaleta Parshall también puede usarse para canales de flujo libre Montana. 2. El canal de flujo Montana elimina las secciones de la garganta y de descarga del canal Parshall, dando como resultado un canal que es más ligero en peso, más cortos en longitud, y menos costoso de fabricar. Desventaja de la canaleta montana: A falta de las secciones de la garganta y de descarga extendidas del canal Parshall, canales de flujo de Montana no están destinados para su uso en condiciones sumergidas.
Sus aplicaciones
La versatilidad del canal Montana ha visto que se usa en un número diverso de aplicaciones, incluyendo: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Tratamiento de aguas residuales. Monitoreo de cuencas. El escurrimiento de borde de campo. La filtración de la presa. Aforo de caudales. Monitoreo de las descargas industriales. Descarga Mine. Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 15 -
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8. 9.
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Los canales de riego. Medición de la descarga de primavera.
Los materiales típicos para su construcción o fabricación. Según Open Chanel Flow se fabrican canaletas en un número de diferentes materiales: 1. 2. 3. 4.
Aluminio. Fibra de vidrio (FRP). Acero galvanizado. Acero inoxidable.
Incluya esquemas básicos de cada una de las canaletas.
3.5 Canaleta RBC.
¿Cómo funciona cada canaleta?
El canal RBC ha sido especialmente diseñado para su uso en formas más pequeñas de agua o canales de tierra (canales de riego, puntos de venta, in- surcos, zanjas, etc.). El canal RBC es un instrumento simple y fiable para la medición de la cantidad de agua de riego que fluye hacia un campo. Después de que el canal ha sido colocado en una posición horizontal de la medición puede comenzar mediante la lectura de la medida del aumento de agua cerca del umbral. La medida del aumento del agua se puede leer en el tubo tranquilizador en el Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 16 -
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extremo del canal. El uso de fórmulas estándar del flujo a través de la cantidad (la descarga) se calcula. En lugar de leer el pozo de amortiguación es posible instalar un transductor de presión conectado a un registrador de datos.
¿Cuáles son sus secciones o componentes?
Los tamaños existentes.
Las ventajas y desventajas sobre otros tipos de medidores.
Las ventajas de la canaleta RBC: Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 17 -
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1. En comparación con los canales de flujo conocidos, tales como la WSC y la canaleta Parshall, el RBC es la más exacta. 2. Debido al pequeño peso y las dimensiones limitadas de los canales de flujo se pueden utilizar y transportar fácilmente. Esto es particularmente ventajoso en el caso de múltiples mediciones temporales. 3. Fácil de instalar y de utilizar. Desventaja de la canaleta RBC: La RBC no es muy utilizable ni recomendable en tamaños de escala grande.
Sus aplicaciones 1. 2. 3. 4.
Monitoreo de cuencas. El escurrimiento de borde de Campo. Los canales de riego. La filtración de la presa.
Los materiales típicos para su construcción o fabricación.
Según Open Chanel Flow se fabrican canaletas en un número de diferentes materiales: 1. 2. 3. 4.
Aluminio Fibra de vidrio (FRP) Acero galvanizado Acero inoxidable
Incluya esquemas básicos de cada una de las canaletas
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3.6 Canaleta Palmer-Bowlus.
¿Cómo funciona cada canaleta?
Diseñado para la instalación en canales de pozos existentes y en línea con la tubería de alcantarillado, canales Palmer-Bowlus tienen una sección transversal en forma de U para minimizar la transición del flujo a través del canal de flujo. La garganta de un canal de flujo Palmer-Bowlus es creado por una sección de rampa trapezoidal elevada. Como el suelo del canal de flujo aumenta, las paredes laterales también se contraigan. El resultado es que el flujo se acelera a través de la garganta por la combinación del cambio en la elevación del suelo y la constricción vertical de las paredes laterales. A diferencia de la más común canal Parshall , no hay necesidad de acomodar un cambio en la elevación. Tanto la entrada y la salida del canal de flujo Palmer-Bowlus están a la misma elevación.
¿Cuáles son sus secciones o componentes?
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Ventajas de las canaletas HS/H/HL: Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 20 -
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1. La facilidad de registro en los pozos gracias a su flujo casi paralelo a lo largo de la garganta. 2. El rendimiento de los canales de flujo en forma de u se pueden predecir teóricamente con errores menores al 3%.
3. Es un dispositivo de flujo plano cuya principal ventaja es la simplicidad de la forma y de la construcción en general Desventajas de las canaletas HS/H/HL: Puede incurrir en datos erróneos si la Palmer es instalada en canales de tierra si hay erosión aguas abajo y el canal adquiere de este modo una pendiente aguas abajo.
Sus aplicaciones.
Típicas instalaciones del canal de descarga Palmer-Bowlus: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Industrial pretratamiento. Monitoreo de la filtración de la presa. Fluye jurisdicción Cruz. Fluye depuradora de aguas residuales. Descarga de la primavera. Bueno ensayos de bombeo.
Los materiales típicos para su construcción o fabricación.
Según Open Channel Flow se fabrican canaletas en un número de diferentes materiales: 1. 2. 3. 4.
Aluminio. Fibra de vidrio (FRP). Acero galvanizado. Acero inoxidable.
Incluya esquemas básicos de cada una de las canaletas.
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3.7 Canaleta Cutthroat.
¿Cómo funciona cada canaleta?
Al igual que otros canales de flujo, el canal Cutthroat es una estructura de flujo hidráulica. El uso de paredes laterales verticales a lo largo del canal las cuales aceleran el flujo a través de una contracción de las paredes laterales hasta que el flujo llega a la garganta del canal de flujo, donde entonces se expande.
¿Cuáles son sus secciones o componentes?
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Sus aplicaciones.
Aforador las cabezas cortadas se utilizan en varias aplicaciones diferentes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Dividir proporcionalmente el caudal. Los canales de riego. Derechos del agua. Tratamiento de aguas residuales. Monitoreo de cuencas. La filtración de la presa. aforo de caudales. Monitoreo de las descargas industriales. Descarga Mine. Medición de la descarga de primavera.
Los materiales típicos para su construcción o fabricación
Open Channel Flow fabrica canales de flujo Cutthroat en un número de diferentes materiales: 1. 2. 3. 4.
Aluminio. Fibra de vidrio (FRP). Acero galvanizado. Acero inoxidable.
Incluya esquemas básicos de cada una de las canaletas.
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4 PROCEDIMIENTOS Y CHEQUEOS DEL DISEÑO. Aforo del caudal del canal. Se realizó un aforo de caudales en canal del laboratorio de hidráulica de la Universidad del Quindío, donde se pretende ensayar la canaleta Parshall, para determinar el caudal máximo que circulara por este. Para determinar el caudal se realizaron veinte aforos midiendo el tiempo que tardaba en llenarse un balde de 50 litros. Luego se hallaron los caudales para cada aforo en l/s y en m3/s, para luego procesarlos con un promedio aritmético y una desviación estándar para luego obtener un límite superior el cual va a ser el caudal máximo que circula por el canal. Aforo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tiempo (s) 3,23 3,02 3,25 3,12 3,27 2,7 2,91 2,9 2,77 2,77 2,73 3,02 2,52 2,64 2,7 2,82 3,01 2,84 2,72 2,91
Volumen (l) 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50
Caudal (l/s) 15,47987616 16,55629139 15,38461538 16,02564103 15,29051988 18,51851852 17,18213058 17,24137931 18,05054152 18,05054152 18,31501832 16,55629139 19,84126984 18,93939394 18,51851852 17,73049645 16,61129568 17,6056338 18,38235294 17,18213058 Promedio Desviacion Estandar Límite inferior Límite superior
Caudal (m^3/s) 0,015479876 0,016556291 0,015384615 0,016025641 0,01529052 0,018518519 0,017182131 0,017241379 0,018050542 0,018050542 0,018315018 0,016556291 0,01984127 0,018939394 0,018518519 0,017730496 0,016611296 0,017605634 0,018382353 0,017182131 0,017373123 0,001253851 0,016119272 0,018626974
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SelecciĂłn de las dimensiones de la canaleta. De acuerdo al ancho del canal se escoge el ancho de garganta de tal manera que cumpla que el ancho del canal sea menor o igual a la dimensiĂłn “Dâ€? de la canaleta. đ?‘?đ?‘?đ?‘Žđ?‘›đ?‘Žđ?‘™ = 290 đ?‘šđ?‘š đ?‘?đ?‘?đ?‘Žđ?‘›đ?‘Žđ?‘™ ≼ đ??ˇ
đ?‘?đ?‘?đ?‘Žđ?‘›đ?‘Žđ?‘™ ≼ đ??ˇ 290 đ?‘šđ?‘š ≼ 259 đ?‘šđ?‘š El ancho del canal es mayor a la dimensiĂłn “Dâ€? de la canaleta por lo tanto cumple.
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Escala. La escala que se asumiĂł para que las dimensiones reales de diseĂąo, se ajusten a las dimensiones del canal de laboratorio es 1:1 Chequeo de ancho de garganta respecto a un intervalo de caudales. TambiĂŠn se debe comprobar que el caudal mĂĄximo que se tiene en el canal se encuentre entre el intervalo de caudales mĂĄximo y mĂnimo para un ancho de garganta de 7,62 cm. đ?‘„đ?‘šĂĄđ?‘Ľ = 0,018626974
đ?‘š3 đ?‘
��å� = 18,62697389 Ancho de garganta W pulg. y pies cm 3" 7.6 6" 15.2 9" 22.9 1' 30.5 11/2' 45.7 2' 61.0 3' 91.5 4' 122.0 5' 152.5 6' 183.0 7' 213.5 8' 244.0 10' 305.0
đ?‘™ đ?‘
Caudal Q (l/s) MĂnimo MĂĄximo 0.85 53.8 1.52 110.4 2.55 251.9 3.11 455.6 4.25 696.2 11.89 936.7 17.26 1426.3 36.79 1921.5 62.8 2422.0 74.4 2929.0 115.4 3440.0 130.7 3950.0 200.0 5660.0
El caudal del canal se encuentra dentro del intervalo de caudales para el ancho de garganta especificado en la tabla, por lo tanto, cumple. Dimensiones de la canaleta obtenidas.
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Donde: W: ancho de garganta. A: longitud de las paredes de la sección convergente. a: ubicación del punto de medición “Ha”. B: longitud de la sección convergente. C: ancho de la salida. D: ancho de la entrada de la sección convergente. E: profundidad total. T: longitud de la garganta. G: longitud de la sección divergente. H: longitud de las paredes de la sección divergente. K: diferencia de elevación entre la salida y la cresta. M: longitud de la transición de entrada. N: profundidad de la cubeta. P: ancho de la entrada de la transición de entrada. R: radio de curvatura. X: abscisa del punto de medición “Hb”. Y: ordenada del punto de medición. Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 28 -
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Para obtener la dimensiĂłn “Mâ€?, que serĂa la longitud de la transiciĂłn de entrada se tiene en cuenta que es conveniente elevar el piso sobre el fondo original del canal, con una pendiente ascendente de 1:4 (1 vertical y 4 horizontal), hasta comenzar la secciĂłn convergente, con paredes que se van cerrando en lĂnea recta o circular de radio “Râ€?, debido a que el aforador Parshall es una reducciĂłn de la secciĂłn del canal, que obliga al agua a elevarse o a remansarse para luego volver a descender hasta el nivel inicial sin el aforador.
La dimensiĂłn “Mâ€? se calcula por medio de relaciĂłn de triĂĄngulos de la siguiente manera: 1 es a 57 mm como 4 es a M. Por lo tanto: đ?‘€=
4 ∗ 57đ?‘šđ?‘š 1
đ?‘€ = 228 đ?‘šđ?‘š TambiĂŠn se puede calcular la longitud inclinada de la transiciĂłn de entrada la cual se nombra “Jâ€?, por medio de PitĂĄgoras. đ??˝ = √(228 đ?‘šđ?‘š)2 + (57 đ?‘šđ?‘š)2 đ??˝ = 235,01702066 đ?‘šđ?‘š DespuĂŠs de haber hallado las dimensiones faltantes de la canaleta, se consigan todas las dimensiones de estĂĄ en la siguiente tabla:
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Dimensiones en mm W 76,2 A 467 a 311 B 457 C 178 D 259 E 457 T 152 G 305 K 25 M 228 N 57 P 259 R X 25 Y 38 J 235
Secciones señaladas para los chequeos y cálculos.
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Chequeo de sumergencia. En base al ancho de garganta escogido la sugerencia debe asumir un valor menor a 50% para que la canaleta trabaje a descarga libre y se considere como un aforador. En la siguiente tabla se muestra el valor de sumergencia para diferentes anchos de garganta.
SegĂşn lo anterior la sumergencia para esta canaleta debe ser: đ?‘† ≤ 0,5 Se utiliza la ecuaciĂłn de energĂa para calcular la energĂa en la secciĂłn 1, justo donde se encuentra “haâ€? đ??¸1 =
đ?‘„2 (đ?‘Šđ?‘Ž ∗ â„Žđ?‘Ž )2 ∗ 2 ∗ 9,81
đ?‘š
+ â„Žđ?‘Ž + đ?‘
đ?‘ 2
Para hallar “Waâ€? se aplica la siguiente formula que resulta de hacer geometrĂa con las dimensiones de la secciĂłn convergente. đ?‘Šđ?‘Ž = đ?‘Šđ?‘Ž =
2 ∗ (đ??ˇ − đ?‘Š) + đ?‘Š 3
2 ∗ (0,259 đ?‘š − 0,0762 đ?‘š) + 0,0762 đ?‘š 3 đ?‘Šđ?‘Ž = 0,198066666667 đ?‘š Facultad de IngenierĂa Programa de IngenierĂa Civil - 31 -
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Ahora se halla “haâ€? con la ecuaciĂłn matemĂĄtica que representa la relaciĂłn tirante contra gaasto, para condiciones de descarga libre en los aforadores Parshall. đ?‘„ = đ??ž ∗ â„Žđ?‘Ž đ?‘› Donde: Q: caudal en flujo libre. K: constante de descarga de flujo. Ha: profundidad desde el punto de mediciĂłn. n: exponente de descarga. Despejando “haâ€?: đ?‘›
â„Žđ?‘Ž = √
đ?‘„ đ??ž
La constante de descarga de flujo “K� y el exponente de descarga “n� se obtienen de acuerdo al ancho de garganta escogido, en base a la siguiente tabla:
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Por lo tanto: đ??ž = 0,141 đ?‘› = 1,55
đ?‘›
â„Žđ?‘Ž = √
đ?‘„ đ??ž Facultad de IngenierĂa Programa de IngenierĂa Civil - 33 -
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Reemplazando “Qâ€?, “Kâ€? y “nâ€? en la anterior ecuaciĂłn se tiene: 1,55
√
â„Žđ?‘Ž =
0,018626974
đ?‘š3 đ?‘
0,141
â„Žđ?‘Ž = 0,270927865015 đ?‘š Ahora se puede hallar la “E1â€? con los datos que se encontraron:
đ??¸1 =
đ??¸1 =
đ?‘„2 (đ?‘Šđ?‘Ž ∗ â„Žđ?‘Ž )2 ∗ 2 ∗ 9,81
(0,018626974
đ?‘š3 đ?‘
đ?‘š
+ â„Žđ?‘Ž + đ?‘
đ?‘ 2
2
)
[(0,198066666667 đ?‘š) ∗ (0,270927865015 đ?‘š)]2 ∗ 2 ∗ 9,81
đ?‘š
+ 0,270927865015 đ?‘š + 0,057 đ?‘š
đ?‘ 2
đ??¸1 = 0,334069096657 đ?‘š Aplicando Bernoulli entre la secciĂłn 1 y la secciĂłn 2, y despreciando las perdidas entre estas secciones, se tiene que: đ??¸1 = đ??¸2 Por lo tanto: đ??¸1 = đ??¸2 =
đ?‘„2 (đ?‘Š ∗ â„Ž2 )2 ∗ 2 ∗ 9,81
0,334069096657 đ?‘š =
đ?‘š
+ â„Ž2
đ?‘ 2
(0,018626974
đ?‘š3 đ?‘
)2
(0,0762 đ?‘š ∗ â„Ž2 )2 ∗ 2 ∗ 9,81
đ?‘š
+ â„Ž2
đ?‘ 2
â„Ž2 = 0,119000707852 đ?‘š ; đ??šđ?‘&#x;2 = 1,901203 → đ?‘…ĂŠđ?‘”đ?‘–đ?‘šđ?‘’đ?‘› đ?‘ đ?‘˘đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘?đ?‘&#x;Ăđ?‘Ąđ?‘–đ?‘?đ?‘œ â„Ž2 = 0,300295428759 đ?‘š ; đ??šđ?‘&#x;2 = 0,474274 → đ?‘…ĂŠđ?‘”đ?‘–đ?‘šđ?‘’đ?‘› đ?‘ đ?‘˘đ?‘?đ?‘?đ?‘&#x;Ăđ?‘Ąđ?‘–đ?‘?đ?‘œ â„Ž2 = −0,085227039953 đ?‘š ; đ?‘ đ?‘œ đ?‘’đ?‘ đ?‘?đ?‘œđ?‘ đ?‘–đ?‘?đ?‘™đ?‘’ Ya que el flujo en la secciĂłn 2 debe tener rĂŠgimen supercrĂtico se toma el “haâ€? con el cual se calculĂł el nĂşmero de Froude y dio rĂŠgimen supercrĂtico. Facultad de IngenierĂa Programa de IngenierĂa Civil - 34 -
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â„Ž2 = 0,119000707852 đ?‘š La altura “hbâ€? serĂĄ la diferencia entre “h2â€? y “Nâ€?. â„Žđ?‘? = â„Ž2 − đ?‘ â„Žđ?‘? = 0,119000707852 đ?‘š − 0,057 đ?‘š â„Žđ?‘? = 0,062000707852 đ?‘š Se realiza el chequeo del grado de sumergencia con la siguiente ecuaciĂłn: đ?‘†=
�=
â„Žđ?‘? â„Žđ?‘Ž
0,062000707852 đ?‘š 0,270927865015 đ?‘š
đ?‘† = 0,228845814175 đ?‘š đ?‘† ≤ 0,5 0,228845814175 đ?‘š ≤ 0,5 De acuerdo al cĂĄlculo anterior la canaleta trabaja con descarga libre. Cumple. Chequeo del resalto hidrĂĄulico. Aplicando la ecuaciĂłn del resalto hidrĂĄulico: â„Ž3 1 = ∗ (√1 + 8 ∗ đ??šđ?‘&#x;2 2 − 1) â„Ž2 2 đ?‘„ 2 ∗ đ?‘‡2
đ??šđ?‘&#x;2 = √ 9,81 ∗ đ??´2 3
đ??šđ?‘&#x;2 = √
(0,018626974
đ?‘š3 2 đ?‘
) ∗ 0,0762 đ?‘š
9,81 ∗ (0,0762 đ?‘š ∗ 0,119000707852 đ?‘š)3 đ??šđ?‘&#x;2 = 1,901203 → đ?‘†đ?‘Žđ?‘™đ?‘Ąđ?‘œ đ?‘‘đ?‘’đ?‘?đ?‘–đ?‘™ Facultad de IngenierĂa Programa de IngenierĂa Civil - 35 -
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De la ecuaciĂłn de resalto hidrĂĄulico se despeja “h3â€? â„Ž3 =
â„Ž3 =
â„Ž2 ∗ (√1 + 8 ∗ đ??šđ?‘&#x;2 2 − 1) 2
0,119000707852 đ?‘š ∗ (√1 + 8 ∗ (1,90120311097)2 − 1) 2 â„Ž3 = 0,265957356287 đ?‘š
CĂĄlculo de la lĂĄmina de agua al final de la canaleta. â„Ž4 = â„Ž3 − (đ?‘ − đ??ž) â„Ž4 = 0,265957356287 đ?‘š − (0,057 đ?‘š − 0,032 đ?‘š) â„Ž4 = 0,240957356287 đ?‘š Caudales para diferentes valores de “haâ€?. De acuerdo a la ecuaciĂłn para obtener el gasto en canaleta Parshall, y con las constantes encontrados en tablas se calcularon diferentes caudales para diferentes valores de “haâ€?. đ?‘„ = 0,141 ∗ â„Žđ?‘Ž 1,55 Los valores de caudales obtenidos con diferentes medidas de ha se consignaron en la siguiente tabla:
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ha (m) 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11 0,115 0,12 0,125 0,13 0,135 0,14 0,145 0,15 0,155 0,16 0,165 0,17 0,175 0,18 0,185 0,19 0,195 0,2 0,205
Q (m^3/s) 0,00078077 0,00096031 0,00115265 0,00135713 0,00157319 0,00180034 0,00203814 0,00228624 0,00254428 0,00281196 0,003089 0,00337516 0,00367021 0,00397392 0,0042861 0,00460657 0,00493515 0,00527169 0,00561603 0,00596803 0,00632756 0,00669449 0,0070687 0,00745007 0,00783851 0,00823389 0,00863613 0,00904513 0,0094608 0,00988306 0,01031182 0,010747 0,01118852 0,01163632 0,01209031
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ha (m) 0,21 0,215 0,22 0,225 0,23 0,235 0,24 0,245 0,25 0,255 0,26 0,265 0,27 0,275 0,28 0,285 0,29 0,295 0,3 0,305 0,31 0,315 0,32 0,325 0,33 0,335 0,34 0,345 0,35 0,355 0,36 0,365 0,37 0,375 0,38
Q (m^3/s) 0,01255044 0,01301663 0,01348883 0,01396696 0,01445098 0,01494082 0,01543642 0,01593773 0,01644471 0,01695729 0,01747543 0,01799908 0,01852819 0,01906272 0,01960262 0,02014785 0,02069836 0,02125413 0,02181509 0,02238123 0,02295249 0,02352884 0,02411024 0,02469667 0,02528807 0,02588443 0,0264857 0,02709185 0,02770286 0,02831868 0,0289393 0,02956467 0,03019477 0,03082958 0,03146905
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5 PLANOS A ESCALA, EN PLANTA Y PERFIL.
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6 MEMORIA DEL PROCESO DE CONSTRUCCIÓN. Según lo requerido en el informe esta memoria habla sobre la construcción de un prototipo de una canaleta tipo Parshall, la cual será probada en el canal de laboratorio Limitaciones o condiciones a cumplir. La canaleta debe estar diseña para poder ser probada en el canal de laboratorio por lo tanto su ancho no podrá sobrepasar los 29 cm y de alto los 50cm además de los cumplimientos de tipo hidráulicos ya expresados en los cálculos anteriores Diseño. La búsqueda de información y obtención de ideas se realizó en gran parte teniendo como bibliografía las páginas Open Channel Flow. Basados en los tamaños que son fabricados en la vida real y el tamaño del canal de ensayo se escogió un ancho de garganta 76.2 mm en conjunto con las demás medidas para iniciar los chequeos respectivos.
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Para proceder con el procedimiento matemático se hizo necesario hallar el Qmáx del canal del laboratorio, por lo que se hizo un proceso de aforo de caudales para así obtener el gasto para los procedimientos Qmáx = 0.018626974m^3/s. Ideas y sugerencias aportadas por el grupo. A medida que se avanzaba en el corte y unión de los cartones paja se llegó a la idea por medio de la participación de los integrantes de grupo de que se debía realizar una transición en la entrada de la canaleta. -
Construcción. En las especificaciones del informe se centraron los paramentos respecto al material a utilizar para la construcción de la canaleta el cual fue cartón paja para darle soporte y rigidez a las secciones del canal se unieron 3 partes del mismo material para asegurar que no tuviera pandeo al ser tan alto y esbelto. Al ya tener las láminas unidas de cartón paja se tomaron las respectivas medidas y trazos seguido de los cortes de las secciones de la canaleta.
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Las primeras secciones construidas fueron las paredes paralelas de la canaleta conservando el diseño ya implantado y así mismo verificando el trazo de la solera del canal.
La tercera sección construida fue la solera de la canaleta conservando el diseño ya implantado y así mismo verificando las inclinaciones de la transición en la garganta.
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Como se pospuso el día de desarrollo de la actividad de laboratorio en la cual se iban a ensayar las canaletas propuestas, se decidió realizar unos refuerzos en material de balso a las paredes que componen la canaleta haciéndolas rígidas para el ensayo por lo tanto no se tienen imágenes finales del modelo final de la canaleta tipo Parshall.
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7 CONCLUSIONES.
Mediante la investigación realizada a la gran variedad de canaletas de medición de flujo crítico, se pudo determinar que la canaleta RBC es la más exacta en cuanto a medición.
Según lo consultado en la literatura la carga calculada de manera correcta con la fórmula matemática va a depender de que tan cerca estén las medidas de la canaleta diseñada con la canaleta de la realidad y si esta fue debidamente calibrada.
Para la comprobación y chequeos del diseño se usaron formulas muy usadas a lo largo del curso como la ecuación de energía y la ecuación del resalto hidráulico para una sección rectangular.
La canaleta HS / H /HL es la que mejor opera en condiciones de sumergencia con respecto al resto ya que no requiere correcciones para hallar el caudal.
Todos los chequeos realizados al diseño planteado cumplieron con los valores permitidos.
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8 RECOMENDACIONES.
Se recomienda hacer la debida calibración de la canaleta por medio de aforos y un debido procesamiento de datos (regresión), ya que las medidas diseñadas no van a ser iguales a las construidas y esto hará que haya errores a lo hora de calcular el caudal.
Se encontraron demasiados valores de “C” y “n” para el mismo ancho de garganta en diferentes fuentes, esto genera mucha confusión ya que no se saben los coeficientes o constantes correctas para realizar el cálculo del caudal de manera que de muy acertado con los aforos en laboratorio o en campo.
El material que se debió usar para la construcción de la canaleta es acetato muy resistente o vidrio, ya que el cartón paja propuesto tiene mucha debilidad ante el agua y es de difícil manejo para realizar maquetas de este tipo.
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9 BIBLIOGRAFÍA.
Distancia, U. N. (2016). Universidad Nacional Abierta y a Distancia. Obtenido de http://datateca.unad.edu.co/
Gonzales, E. P. (2001). Serie autodidacta de medicion canal Parshall. México D.F.: Comision Nacional de Agua e Instituto Mexicano de Tecnologia del Agua.
Monroy, M. A. (2010). Medidores de flujos abiertos. Guatemala: Universidad de San Carlos de Guatemala.
Netto, A. (1998). Manual hidráulica. Sao Paulo: Edgar Blutcher LTDA.
OCF. (2016). Open Channel Flow. Obtenido de http://openchannelflow.com/
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10 DECLARACIÓN DE PARTICIPACIÓN.
______________________ Valentina Lagos Tabares 1094949242
_____________________ José David Guerrero Perez. 1094953719 Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 46 -
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