Universidad de OrienteNúcleo de Anzoátegui Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Departamento de Ingeniería Civil Asignatura: Laboratorio de Hidráulica PROFESOR: Hilda Morales PREPARADOR: Ronald Agostini SECCIÓN: 21 Grupo: # 1 BACHILLERES: Colón, Iluzmar C.I.: 18.300.908 Fernández, Daniel C.I.: Jauregui, Dana C.I.: 19.169.969 Jiménez, Elsy C.I.: 18.215.816 BARCELONA, JUNIO DE 2009 INDICE Objetivos Marco Teórico Materiales y Equipos Procedimiento Experimental Tabla de Datos y Resultados Gráficos Conclusiones y Recomendaciones Apéndice 1. Hoja de Datos 2. Esquema del Equipo 3. Formulas Empleadas 4. Nomenclatura 5. Muestra del Cálculo 6. Ajuste de las Curvas 7. Asignaciones Bibliografía OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES Conocer el Caudal que fluye por la Canaleta Parshall, para diferentes aberturas de la válvula de la compuerta. OBJETIVOS ESPECIFICOS Conocer el funcionamiento básico del equipo. Determinar que caudal pasa a través de la canaleta y como se comporta éste a medida que pasa por el equipo. Hacer aforos para distintas aberturas de la válvula, tanto para compuerta libre como para compuerta sumergida. MARCO TEÓRICO El agua que escurre por la canaleta pasa a estos tanques por medio de unas perforaciones colocadas en la pared de la sección convergente y en la garganta. la canaleta tiene una sección rectangular. con una pendiente suave y las paredes se van cerrando. tirante o carga).La Canaleta Parshall es una estructura hidráulica que permite medir la cantidad de agua que pasa por una sección de un canal. o mayor. desde el inicio de la transición de entrada hasta la salida. . (a la que también puede llamársele elevación. Puede ser usado para medir el flujo en ríos. ya sea en línea recta o circular. que la parte mas baja de la canaleta. etc. el piso se eleva sobre el fondo original del canal. canales de irrigación y/o de desagüe. Junto a la estructura de la canaleta se tienen dos pozos laterales o tanques con la misma profundidad. el fondo es horizontal y el ancho va disminuyendo. salidas de alcantarillas. Sección convergente Garganta. La medida del flujo está basada en la asunción de que el flujo critico se produce estrechando la anchura de la garganta de la canaleta y levantando la base. nivel. En la sección convergente. por esto la medida de la profundidad en un único punto es suficiente para determinar la descarga. El flujo cambia de subcritico a supercrítico. En la transición de entrada. vertidos de fábricas. En cualquier parte de la canaleta Parshall. Sección divergente. Consta de cuatro partes principales: Transición de entrada. aguas residuales. En la garganta el pico vuelve a bajar para terminar con otra pendiente ascendente en la sección divergente. Aplicación La canaleta Parshall es recomendada para aquellas aplicaciones en las que se tengan concentraciones moderadas de arena. El canal es ideal para la medición de fluidos en canales de riego o alcantarillado. Para un gasto dado. Es difícil alterar la medición. La canaleta es poco sensible a la velocidad de llegada. La velocidad del flujo en el interior de la canaleta es lo suficientemente alta para evitar el lodo. El canal opera con una pequeña perdida de energía o cambio en el grado del canal. y volver a caer hasta la elevación que se tenía sin la presencia de la canaleta. cerca de un cuarto con respecto a otros vertedores con la misma longitud de cresta. Ventajas y desventajas Opera con pérdidas de carga relativamente bajas. Se logran buenas mediciones sin sumergencia. Apropiadamente construido mantiene una precisión de más o menos 2% para descarga libre. o inclusive. En este proceso se presenta una aceleración del flujo que permite establecer una relación matemática entre la elevación del agua y el gasto. con sumergencia moderada.Fundamentalmente la canaleta es una reducción de la sección que obliga al agua a elevarse o a “remansarse". bajo las mismas condiciones de descarga libre. grava u otros sólidos pesados y en donde las velocidades del fluido al ingresar al canal son subcriticas. la pérdida de carga es 75% más pequeña que para otros medidores. y más o menos 5 % bajo condiciones de sumergencia considerable. . Nomenclatura de las partes de una Canaleta Parshall W= Ancho de la garganta A= Longitud de las paredes de la sección convergente a= Ubicación del punto de medición Ha E= 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 . no puede combinarse con estructuras de derivación o control. lo que dificulta y encarece su construcción. Además. Aunque esta última desventaja ocurre para todas las canaletas. para conocer los volúmenes escurridos. Es factible la colocación de un sensor de nivel y un totalizador en los pozos de lectura. Es menos caro que la canaleta de garganta larga para la misma capacidad. Su principal desventaja es que debe construirse de acuerdo a medidas estándar. etc. vinylester. . Características del flujo del canal y necesidades operacionales Para contar con mediciones precisas. Se recomienda verificar la velocidad de llegada antes de construir una canaleta. Los materiales más comunes para su fabricación son la fibra de vidrio. acero inoxidable. los insectos y el lodo.H= Longitud de las paredes de la sección 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 R= Radio de curvatura X= Abscisa del punto de medición Hb Y= Ordenada del punto de medición Aforadores Parshall Prefabricados Existen varias casas comerciales que fabrican aforadores para ser colocados en los canales. Por lo menos.3m/s facilitan el crecimiento de maleza. Algunos requerimientos de instalación física para Una Canaleta Parshall Velocidad de llegada de la corriente Las velocidades menores de 0. es conveniente realizar una inspección visual para evitar las corrientes inestables. el sitio de ubicación de la canaleta debe permitir grandes pérdidas de carga para absorber el remanso y así poder utilizar una relación única de tirante y gasto. Por lo tanto la velocidad de llegada debe exceder dicho valor. resina de polyester. Esto significa que antes del medidor se debe tener un tramo recto y sin obstáculos de una longitud mínima. En algunos tramos del canal. la sedimentación ocurre durante la época de estiaje. que no se tenga una sumergencia excesiva. Erosión y seguridad Idealmente. y las dimensiones del canal en el sitio. por lo menos. Tramo recto mínimo antes del medidor Una de las principales restricciones que debe tener un sitio donde se va a colocar el medidor es la uniformidad de la corriente. la velocidad máxima. Los obstáculos pueden ser. Por lo menos se debe tener un tramo recto de diez veces el ancho del fondo del canal. El fondo del canal es diferente para cada tipo de sección transversal. un estancamiento excesivo comúnmente provoca sedimentación debido a la reducción en las velocidades de llegada. Si el canal es rectangular. el tramo seleccionado del canal debe ser estable. inclusive. Debe revisarse el estancamiento del agua antes en la canaleta. bancos de arena o de grava asentados en el fondo del canal como producto del azolve. el fondo será igual al .Esta relación asegura que los límites de sumergencia no se han excedido o. Después de seleccionar tentativamente la localización de la canaleta se debe conocer el mínimo y máximo gasto que circula por el canal y las profundidades correspondientes. La sedimentación puede cambiar la velocidad del acercamiento o puede incluso enterrar la estructura y la erosión puede socavar el cimiento. por lo que es recomendable limpiar esta parte. particularmente en la entrada de la canaleta.ancho de la superficie del agua. En las canaletas de metal es normal que se tenga presencia de oxido que también debe removerse con un cepillo metálico. Si es irregular el fondo será. aproximadamente. la parte más horizontal del fondo. El asentamiento de las canaletas suele ocurrir más comúnmente cerca de la salida debido a la acción erosiva de la corriente de agua. Mantenimiento básico Una vez que la canaleta ha sido propiamente instalado se requiere un mantenimiento periódico para que opere satisfactoriamente. Normalmente en este tipo de estructuras crece algún tipo de maleza en las paredes y el azolve suele acumularse en el fondo. . lo que aumentará la vida útil del dispositivo. Para evitar la maleza y el oxido es conveniente pintar la canaleta con pintura asfáltica. 83m Largo: 0.MATERIALES Y EQUIPOS o o o o Tanque de alimentación Ancho: 0. Cronómetro Marca: UltraK 300 Capacidad: 60 min. Motobomba Marca: Pedrollo Modelo: HFm/6B. Alto: 0. Tanque de almacenamiento Ancho: 0. Apreciación: 0. Capacidad: 476ltrs.33 ltrs/seg Diámetro de descarga y succión: 3pulg.70m.40m Capacidad: 60ltrs.40m Alto: 0.70m.50m. Voltaje: 110/220 voltios. Tipo: Centrífuga Potencia: 2HP RPM: 3450.2seg . Largo: 1. Caudal máximo: 18. Encender la motobomba. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Llenar el tanque de alimentación hasta un nivel adecuado. Para descarga libre: Verificar que la compuerta colocada al final de la sección divergente de la canaleta esté abierta a determinada altura. Abrir a dos vueltas la válvula de compuerta. Verificar que la válvula de la compuerta esté totalmente abierta. Capacidad: 30 cm Cuñete. esperar que se estabilice el flujo de agua en un tiempo adecuado. Repetir los 2 pasos anteriores para cada 2 vueltas de la válvula. Abrir a dos vueltas la válvula de compuerta. Verificar que la lámina separadora esté colocada dentro del tanque de alimentación. hasta llegar a las 10 vueltas y media. Encender la motobomba. .1 cm.o o Regla graduada Apreciación: 0. Colocar la compuerta plana en la posición seleccionada. Tomar varias muestras de volumen y tiempo en la sección de salida de la canaleta para la abertura de dos vueltas de la válvula. luego tomar las lecturas de carga Ha y Hb. Para descarga sumergida Verificar que la compuerta colocada al final de la sección divergente de la canaleta esté abierta a 6 cm de la escala. para que la bomba no succione aire. Tomar varias muestras de volumen y tiempo en la sección de salida de la canaleta para la abertura de dos vueltas de la válvula. esperar que se estabilice el flujo de agua en un tiempo adecuado. luego tomar las lecturas de carga Ha y Hb. 32" 16 0.8 22 Altura de Agua de Tiempo Cuñete (Seg) (cm) 9 0.39" 12.5 7.5 0.8 8.5 9 7 19 9.38" 10 0.5 9 24.37" 11 0.5 0.27" 9 0.5 5 23 19 7 24.5 5 18.29" 8.55" Altura de Compuerta: 6cm Abertura de Válvula de Compuerta (Vueltas) Lectura de Carga Ha (cm) Lectura de Carga Hb (cm) 3 17.5 0.7 10.24" 9 0. hasta llegar a las 10 vueltas y media.39" 14 0. Apagar la motobomba.5 0.26" .32" 11 0.5 10 11 19.5 21.25" 12 0.39" 10 0.2 0. TABLA DE DATOS Altura de Compuerta: Libre Abertura de Válvula de Compuerta (Vueltas) Lectura de Carga Ha (cm) Lectura de Carga Hb (cm) 3 16.42" 13.32" 10.26" 9 0.8 9 19.28" 10.5 0. Repetir los 2 pasos anteriores para cada 2 vueltas de la válvula.30" 10 0.33" 7.5 Tabla #1 Altura de Agua de Tiempo Cuñete (Seg) (cm) 10 0. 0129589 0.950 7.109 0.0087117 5 7 9 11 0.0109323 0.0088698 0.0103981 0.0140584 0.0108568 0.0081779 0.8 1.11 25.0135047 0.094 0.5 23 Tabla #2 9.0079348 0.5 0.0075293 Tabla #3 Para Abertura de la Válvula de Compuerta en Descarga Sumergida Abertura de Caudal Grado Caudal de Válvula de Teórico de Aforo Compuerta Qteórico Sumergencia Qaforo (Vueltas) (m3/seg) (m3/seg) 3 --*-2.5 .0094863 0.0108675 0.211 1.876 7.0079242 0.939 7 1.2 2.5 1.0106246 6.0097818 Tabla #4 Abertura de Válvula de Compuerta (Vueltas) Caudal Calculado Qcalculado (m3/seg) Pérdida De Carga P (cm) 3 0.0126774 6.27" TABLA DE RESULTADOS Para abertura de la válvula de compuerta en Descarga Libre Abertura de Válvula de Compuerta (Vueltas) 3 5 7 9 11 Caudal Teórico Qteórico (m3/seg) 0.0068013 0.5 Caudal de Aforo Qaforo (m3/seg) 0.2 6.0070847 0.0 5 0.056 6.0065179 1.127 1.139 1.0142021 Grado Pérdida de de Carga Sumergencia P (cm) 2. 195 0.3481E-04 7.165 0.0081779 0. que estos valores no se pudieron calcular debido a que son valores muy pequeños.9989E-05 0.6878E-05 1.0018498 6.4 Tabla #5 Cálculo de Mínimos cuadrados "X" (Caudal de aforo) "Y" (Ha) X*Y X2 0.0109323 0.0103981 0.0094863 0.0015129 0.0075293 0. .Significa.0132103 7 9 0.41197E04 Tabla #6 Abertura de Válvula de Compuerta (Vueltas) 3 5 7 9 11 Caudal Calculado Qcalculado (m3/seg) 3.0086347 5.2 11 0.0812E-04 0.1575E-04 8.7936E-04 6.0465239 0.0017116 1.0014833 0.197 0.19 0.0020771 0.0139693 7.0450E-04 8.932 0.4230E-04 Pérdida de Carga P (cm) --*---*---*---*---*-- Nota: --*-.1952E-04 8.6690E-05 4.185 0.7 0.0137509 7. GRÁFICAS Gráfica #1 Gráfica #2 . Gráfica #3 Gráfica #4 Gráfica #5 . Cabe destacar que para los valores de Qcalulado1 se colocó que todos estos valores eran cero ya que el caudal que resultaba de la ecuación era demasiado pequeño como para usar la gráfica. así que se asumió cero o nulo. que las pérdidas en el sistema son directamente proporcionales al caudal calculado. Los valores de “P” son muy desacertados ya que las gráficas que permiten obtenerlos no se aprecian muy bien en la guía.Gráfica #6 CONCLUSIONES Se evidenció por medio de los resultados de los experimentos hechos en laboratorio. . aumenta las perdidas. ya que cuando aumenta el caudal. . Esquema del Equipo . 1716* Ha1.544 (Descarga libre) (Descarga libre) .547 Qcal 0.FORMULAS EMPLEADAS Qaforo A Vol t n D 2 4 S Ha / Hb Q m * Han (EcuaciónGeneralen descarga libre) Qteórico 0.1763* Ha1. NOMENCLATURA Q aforo m3/seg Caudal de aforo --------------------------------------- Q teórico m3/seg Caudal teórico Q cal m3/seg Caudal calculado S: Adimensional Grado de sumergencia ----------------------- Ha: Lectura de carga (sección convergente) ---------.m P: Perdida de carga -----------------------------------------.m Vol: Volumen de agua que sale por el vertedero ----.m Hb: Lectura de carga (garganta) -----------------------.m3 t: seg Tiempo n: Adimensional Número de muestra por cada --------------Abertura ----------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------- . Q aforo m3 m3 0 .0106246m seg.5 * 100 * 100 45.EJEMPLOS DE CÁLCULOS Cálculo de Área: A 19 / 100m 2 0.2 de la Guía de Laboratorio de Hidráulica.02835m 1 100 2 Q aforo 16 m * 0.5 2.32seg. Perdida de Descarga en la Canaleta Parshall (P) para Descarga Libre. 0.5 Cálculo de pérdidas con Qteórico: Con la figura 1.0103981m seg Cálculo de Caudal Calculado: Q aforo Q calculado 0.45% Ha 16. 0088594 0 .5 Porcentaje de Sumergencia: Hb 7.32seg.0088594m 3 0. 100 Cálculo de Caudal Aforo: 2 Q aforo 10 m * 0. .1716 * 16.544 3 0. 0119368 Q 1 Q aforo 2 seg seg aforo 2 2 3 0.01085m seg.02835m2 4 Cálculo de Caudal Teórico: 3 16. Grado de Sumergencia: Ha 16. seg.0119368m seg. 3 0.1763( ) 0.5 / 100 S S 1.547 Q teorico 0.2 Hb 7.5 1.02835m 2 100 0. y 2 2 n x x 5 * 0.932 4. Y se intercepto con la curva w=3’’.23 1. se proyectó una recta en el eje X para obtener un valor aproximado de P=0.0465239* 0.000441197* 0.0086347 y x * x.y x * y 5 * 0.5 3 Q 1. Y se intercepto con la curva w=3’’.Ha n Aplico Ln a ambos lados de la Ecuación : LnQ Lnm nLnHa Lnm 0.26Ha 4.5 3.0465239)2 x 2* 0.7936 4 m seg.0086347 0.2 Perdida de Descarga en la Canaleta Parshall (P) para Descarga Libre se ubicó en el eje Y Qcal=10.000441197 (0.26(16.23 y 4.0465239* 0.060m n m Cálculo de los Mínimos Cuadrados: n * x. .23 Q m.se ubicó en la gráfica el Qteórico=10.5x 0.2 cm Cálculo de pérdidas Q calculado: Con la figura 1.228 0. se proyectó una recta en el eje X para obtener un valor aproximado de P=6.5 / 100)4.000441197 (0.26 Q 1.0465239)2 m 0.23 m e0.62 L/seg.5 n x2 x 2 5 * 0.85 L/seg.499 4.932 0. AJUSTES DE LAS GRÁFICAS . Ver Tabla #5 4. Determinar el caudal teórico (Qteórico). y el caudal de aforo (Qaforo) para cada abertura de la válvula de compuerta en descarga libre. y el caudal de aforo (Qaforo) para cada abertura de la válvula de compuerta en descarga sumergida. Determinar el caudal teórico (Qteórico).ASIGNACIONES 1. la pérdida de carga (P) correspondiente a este caudal calculado. Ver Tabla #3 2. el grado de sumergencia (S). Utilizando los datos de Ha y (Qaforo) de la experiencia calcule por mínimos cuadrados los valores de m y n de la fórmula general de la canaleta. Ver Tabla #4 3. y determine un nuevo caudal calculado (Qcal1). para cada abertura de la válvula cuando la canaleta trabaje con descarga libre. para cada abertura de la válvula de compuerta en descarga libre. Ver Tabla #6 y Tabla #7 . Determinar el caudal calculado (Qcal). la pérdida de carga (P). el grado de sumergencia (S). la pérdida de carga (P1). Qcal1. Ver Gráfica # 3 % Sumergencia vs.5. entre la zona anterior del mismo y su punto más bajo. Se considera un canal abierto a un conducto con una superficie libre. desagües. Ver Gráfica # 1 Ha vs. etc. acequias. Qcal. Investigar: Tipos de medidores de flujo en canales abiertos. Qcal. Qteórico. se tienen varios dispositivos para medir los caudales en conductos libres. Los más empleados son: . que siempre está a presión atmosférica. El flujo en canales abiertos tiene lugar en ríos. Qcal1. arroyos. Realizar las siguientes gráficas: Descarga Libre: Ha vs. Vertederos: En el caso de canales abiertos se utilizan vertederos de formas variadas que provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal. Ver Gráfica # 6 6. Ver Gráfica # 4 Descarga Sumergida: % Sumergencia vs. Qaforo. Ver Gráfica # 5 % Sumergencia vs. Ver Gráfica # 2 % Sumergencia vs. Vertedero triangular o en V. no se ve afectada por problemas de sedimentación. a la vez posee características de solidez y resistencia a las condiciones de campo. la garganta y la placa de fondo. Además. Canaleta de garganta cortada: Esta estructura aforada está conformada por la sección de entrada. apto para medir caudales de 0 – 60 m/h a 0 – 2000 m/h. Es capaz de medir el caudal dentro del intervalo 0 –30 m/h a 0 – 2300 m/h. ¿Qué es una Canaleta Parshall? Es instrumento calibrado para la medida del caudal en cauces abiertos. por lo cual se hace extremadamente fácil su construcción. Su estructura es sencilla. la sección de salida. Es uno de los más utilizados debido a que no provoca remanso ni sedimentación. Gracias a ello el agua escurre a velocidad crítica a través de la garganta. Vertedero rectangular con contracción lateral. El medidor consiste en una sección convergente con el fondo a nivel. Se describe técnicamente como un aforador de profundidad crítica. Canaleta tipo Balloffet: Este aforador se caracteriza por tener paredes paralelas y fondo plano. y en el caso de instalarla en un canal rectangular ya construido resulta económica. La sección de entrada está constituida por dos muros verticales convergentes en relación 3:1 y la sección de salida la conforman dos muros verticales divergentes en relación 6:1. Se recomienda para caudales pequeños. una sección de garganta con el fondo con pendiente descendente y una sección divergente con el fondo con pendiente ascendente. . si se presenta escurrimiento critico en la garganta. que consiste en una placa con un corte en V dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la horizontal. así como también es un sustituto real y muy eficiente para realizar la mezcla rápida en plantas de tratamiento. entradas en deposito. en los desarenadores de las estaciones de tratamientos de aguas. La medición de caudal. los de tamaños menores para regular la descarga de agua distribuida a las propiedades agrícolas y los de mayor tamaño para ser aplicado a los grandes canales de riego. puede ser realizada fácilmente utilizando este tipo de medidores. un flujo en que se presenta la sumersión o ahogamiento para el cual se toman las cargas Ha y Hb. potabilización de agua residual. o como dispositivos de mezcla rápida. Su empleo ha sido recomendado para canales principales. Los medidores Parshall vienen siendo aplicados al control de la velocidad. ¿Cuáles son las condiciones de descargas? En la canaleta Parshall se pueden presentar dos tipos de flujo: Flujo a descarga libre: Un flujo a descarga libre para lo cual es solo necesario medir la carga Ha para determinar el caudal. Su empleo ha sido recomendado para canales principales. Flujo libre contra flujo sumergido: . tan necesaria en servicios de abastecimiento de agua. El medidor Parshall fue ideado teniendo como objetivo principal la irrigación. entre otros. entradas de depósitos. ¿Cuál es su aplicación en el campo hidráulico? Su principal aplicación en el campo hidráulico es la de medir caudales en flujo libre. estaciones de tratamiento. el nivel de agua corriente abajo no afecta el nivel de la corriente arriba. Es difícil alterar la medición. Se logran buenas mediciones sin sumergencia. En condiciones de flujo sumergido. Para un gasto dado. o inclusive. Es menos caro que el aforador de garganta larga para la misma capacidad. usualmente cerca de la cresta del canal (la entrada a la garganta). siendo tan pequeño como el 55% y tan grande como el 80%.En condiciones de flujo libre. En el punto en el cual el flujo cambia de flujo libre a flujo sumergido. . El aforador es poco sensible a la velocidad de llegada. es llamado el punto de sumersión de transición y es expresado como un porcentaje. la pérdida de carga es 75% más pequeña que para otros medidores. y más o menos 5 % bajo condiciones de sumergencia considerable. La velocidad del flujo en el interior del aforador es lo suficientemente alta para evitar el azolve. el flujo de agua que pasa a través de la cabeza critica. Apropiadamente construido mantiene una precisión de más o menos 2% para descarga libre. bajo las mismas condiciones de descarga libre. con sumergencia moderada. Ventajas de la canaleta Parshall Opera con pérdidas de carga relativamente bajas. en condiciones de flujo libre. Técnicamente hablando. el cual varía de tamaño a tamaño. la profundidad de la cola de agua es suficientemente grande como para afectar la profundidad de corriente arriba y es necesaria la medición de la cabeza en dos lugares en el canal. L. 1999. “Laboratorio de Hidráulica”. GONZALEZ. 2007. BIBLIOGRAFÍA BOU GHANNAM. edición Colombia. Novena . 2000. Venezuela. Universidad de Oriente. M. para conocer los volúmenes escurridos. STREETER. V. “Curso de Hidráulica de Canales Abiertos”. Venezuela. “Mecánica de Fluidos”. Universidad de Oriente. Es factible la colocación de un sensor de nivel y un totalizador en los pozos de lectura.