DISEÑO Y MEDICION DE CAUDALDE UNA CANALETA PARSHALL INTEGRANTES: ARIAS RUIDIAZ PAUL KLEMENT BLANCO DURAN DAGOBERTO LUIS QUINTERO ORTIZ RICHARD EDUARDO DOCENTE: Ing. LEONEL ROJAS UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE INGENIERIAS Y TECNOLOGIA INGENIERIA AMBIENTAL & SANITARIA VALLEDUPAR / CESAR 2015 INTRODUCCIÓN Ralph Parshall contribuyó de manera significativa al campo de la ingeniería de riego con el desarrollo de un dispositivo de medición de flujo que se hizo conocido comúnmente como el aforador Parshall y sigue siendo ampliamente utilizado. Materiales de la colección incluyen la patente de Parshall en sus "instrumentos de registro fase de agua aforador Venturi". Comúnmente estos aforadores o canaletas son utilizados ampliamente para la medición de flujo de un riachuelo sin que este pudiese generar pérdida de energía significativa; con el paso del tiempo se puedo evidenciar que la sección de convergencia puede ser adaptada para optar un rango de descargar o caudales óptimos, haciendo de la canaleta una tabla especifica de donde se construyen de acuerdo a medidas y teniendo en cuenta una carga óptima que circule a través del mismo. Las canaletas Parshall son usadas para aumentar el grado de velocidad de un riachuelo o cuerpo hídrico como sistema lótico, actualmente en su sección de divergencia luego que sale de la garganta, la generación de turbulencia es determinante para los tratamientos de agua potable porque es usado ese principio para agregar coagulante y químicos que se hagan esencia en el agua. CANALETA PARSHALL La canaleta Parshall es un elemento primario de caudal con una amplia gama de aplicaciones para medir el caudal en canales abiertos. Puede ser usado para medir el flujo en ríos, canales de irrigación y/o de desagüe, salidas de alcantarillas, aguas residuales, vertidos de fábricas, etc… La Canaleta Parshall Arkon está fabricada con polipropileno, lo que le permite resistir temperaturas de hasta 80º al aire libre (sin embargo, el agua que fluye por la canaleta no puede estar congelada). Además, la Canaleta Parshall puede resistir soluciones de sales inorgánicas, ácidos y bases que no presenten fuertes propiedades de oxidación, y una alta concentración de disolventes orgánicos. El tamaño máximo de los sólidos en suspensión no puede ser superior al 80% de la anchura del cuello de la canaleta. VENTAJAS Perdida de energía relativamente baja (3–4 veces inferior que en crestas pronunciadas) Poca sensibilidad a la distribución de velocidad en el canal de acercamiento Medición de caudal incluso en condiciones de inundado La velocidad dentro de la canaleta Parshall es suficientemente alta para prevenir la deposición de sedimentos o la acumulación de escombros – Mínimo requisitos de mantenimiento Amplio rango de caudales Larga vida útil DESVENTAJAS Para la construcción de esta canaleta se precisa de la adecuación de un sitio de descarga, dado que este debe poseer una inclinación que permita la formación un flujo crítico en la garganta de la canaleta. Los costos de construcción dependen de las características de la descarga, dado que estas influyen en el tipo de material de construcción como en las dimensiones del diseño. FUNCIONAMIENTO DE LA CANALETA PARSHALL Su funcionamiento esta basado en la asunción de que el flujo critico se produce estrechando la anchura de la garganta de la canaleta y levantando la base; este efecto obliga al agua a elevarse o a remansarse, proceso que debido a la aceleración del flujo permite establecer una relación matemática entre la elevación del agua y el gasto. MANUAL DE INSTALACIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO PARSHALL ANTECEDENTES El canal Parshall es una estructura moldeada en una sola pieza en plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV = FRP = fibra de vidrio) por lo que se obtiene una gran resistencia mecánica y química; precisión en sus dimensiones y facilidad de instalación. Debido a su ligereza no se requieren de herramientas especiales para su instalación y es particularmente indicado para lugares limitados por objetos y construcciones aledañas. Es muy adecuado para la medición de flujos de agua con pequeñas concentraciones de arena y sólidos con velocidades de flujo subcríticas. Se utiliza para canales abiertos tipo "Ventura" de flujo crítico. Por su pendiente hacia abajo invertida de la garganta le permite funcionar adecuadamente en rangos más altos aguas abajo a aguas arriba del nivel. Es el más indicado para medición de flujo de agua en aguas claras, aguas residuales y canales de riego. REQUERIMIENTOS DE INSTALACION FISICA Velocidad de llegada de la corriente Las velocidades menores de 0.3 m/s facilitan el crecimiento de maleza, los insectos y el azolve. Por lo tanto la velocidad de llegada debe exceder dicho valor. Se recomienda verificar la velocidad de llegada antes de construir un aforador. Por lo menos, es con conveniente realizar una inspección visual para evitar las corrientes inestables. Características del flujo y necesidades operacionales Para contar con mediciones precisas, el sitio de ubicación del aforador debe permitir grandes pérdidas de carga para absorber el remanso y así poder utilizar una relación única de tirante y gasto. Esta relación asegura que los límites de sumergencia no se han excedido o, por lo menos que no se tenga una sumergencia excesiva. Para el diseño del aforador es necesario saber si el sitio de ubicación del medidor está influenciado por la operación de compuertas sobre el canal o sobre los canales laterales La elevación del agua puede variar ante la presencia de azolve o por las operaciones propias del canal; esto debe tomarse en cuenta para los mismos fines de mantener la sumergencia dentro de los límites adecuados. Después de seleccionar tentativamente la localización del aforador, se debe conocer el mínimo y máximo gasto que circula por el canal y las profundidades correspondientes, la velocidad máxima, y las dimensiones del canal en el sitio. Estas medidas deben incluir el ancho del canal, taludes, profundidades y la altura de los bordos por aguas arriba con especial atención a su capacidad de contener el incremento de nivel causado por la instalación del aforador. Erosión Idealmente, el tramo seleccionado del canal debe ser estable. En algunos tramos del canal la sedimentación ocurre durante la época de estiaje. La sedimentación puede cambiar la velocidad del acercamiento o puede incluso enterrar la estructura y la erosión puede socavar el cimiento y desgastar y romper el Parshall. Debe revisarse el estancamiento del agua antes del aforador. Un estancamiento excesivo comúnmente provoca sedimentación debido a la reducción en las velocidades de llegada. Tramo recto mínimo antes del Parshall Una de las principales restricciones que debe tener un sitio donde se va a colocar el medidor es la uniformidad de la corriente. Esto significa que antes del medidor se debe tener un tramo recto y sin obstáculos de una longitud mínima. Los obstáculos pueden ser inclusive bancos de arena o de grava asentados en el fondo del canal como producto del azolve. Por lo menos se debe tener un tramo recto de una longitud igual a 10 veces el ancho del fondo del canal. El fondo del canal es diferente para cada tipo de sección transversal. Si el canal es rectangular, el fondo será igual al ancho de la superficie del agua. Si es irregular el fondo será aproximadamente la parte más horizontal del fondo. Los medidores de flujo Parshall deben ubicarse en tramos rectos de canal, con ello se garantiza que el flujo sea uniforme y que las mediciones sean confiables. INSTALACION El medidor Parshall se soportará en toda su base y paredes laterales sobre una superficie sólida para evitar esfuerzos innecesarios que podrían fracturar el fondo o las paredes. Todo el cuerpo del medidor Parshall se deberá embeber en concreto, sin dejar huecos entre la superficie exterior del Parshall y su apoyo de concreto. La soportación e instalación es por cuenta de del cliente. Una inadecuada soportación causará la ruptura del equipo dejando sin efecto la garantía. FIG. 1 Los aforadores Parshall han sido usados comúnmente durante mucho tiempo, debido a ese uso se le ha podido establecer medidas optimas de acuerdo a los caudales máximos y mínimos que estos pudiesen soportar, estos que van en función del ancho de la garganta (W), el cual podemos divisar en la siguiente tabla con sus cálculos predeterminados para cada una de las secciones de la hoja anterior. TABLA 1 DISEÑO DE UN CANAL PARSHALL Teniendo en cuenta las dimensiones ya preestablecidas en la tabla 1, diseñaremos una canaleta Parshall para un Caudal Máximo de 760 L/s (0.76 m 3/s). Yendo a la Tabla 1 determinamos las dimensiones preestablecidas para la canaleta obteniendo para cada sección los siguientes valores. W=0.915 K=0.608 M=0.639 D=1.572 N=0.230 K’=0.08 C=1.220 G’=0.915 A partir de estos procedemos a calcular los requerimientos de la canaleta: 1) Altura aguas arriba de la sección de medición H 0=K Q M =0.608∗( 0.760 )0.639=0.510 metros 2) Ancho de la sección de medición D' = 2 ( D−W ) +W 2 ( 1.572−0.915 ) +0.915 = =1.048 metros 3 3 3) Velocidad en la sección de medición V 0= Q 0.760 = =1.42metros /segundos 1.048∗0.510 D ∗H 0 ' 4) Caudal específico en la garganta q= Q 0.760 = =0.83 metros2 /segundos W 0.915 5) Carga Hidráulica Disponible [ ] V 20 (1.42 )2 E0=H 0+ N + =0.510+ 0.230+ = 0.84 metros 2g 2∗9.81 ( ) 6) Coseno de α cos α = −q∗g 1.5 = [( ) ] [ ( 2g ∗E0 3 −0.83∗9.81 2∗9.81 ∗0.84 3 ) ] 1.5 =−0.63 7) Valor de α (Hexagesimal) α =cos−1(−0.63)=129 ° 3' 0.44 8) Velocidad antes del resalto ' 129° 3 0.44 } over {3} right )} =3.29 metros/segundos ¿ ¿ 2 √ 2 g∗E 0 α 2 √ 2∗9.81∗0.84 V 1= ∗cos = ∗cos ¿ 3 3 3 9) Altura del agua H 1= q 0.83 = =0.25 metros V 1 3.29 10) Número de Froude (rango de 2 – 4.5) Nf = V1 3.29 = =2.1 √ g H 1 √9.81∗0.25 11) Altura del Resalto H 2= H 1( √1+8 Nf 2−1) 0.25( √ 1+8∗( 2.1 )2−1) = =0.63 metros 2 2 12) Velocidad en el resalto V 2= Q 0.760 = =1.32 metros/segundos W∗H 2 0.915∗0.63 13) Altura en la sección de salida en la canaleta H 3=H 2−( N −K ' )=0.63−( 0.23−0.08 )=0.48 metros 14) Velocidad en la sección de salida V 3= Q 0.760 = =1.30 metros C∗H 3 1.22∗0.48 15) Pérdida de carga en el resalto H p=H 0 + K '−H 3=0.510+ 0.08−0.48=0.11 metros 16) Tiempo de Mezcla en el resalto τ= 2W 2∗0.915 = =0.70 segundos V 2 +V 3 1.32+ 1.30 17) Gradiente de velocidad T=10°C ( ∂ G= √ √ = peso específico ; µ = viscosidad) √ HP ∂ 0.11 ∗ =2736.74∗ =1084.88 segundos−1 μ τ 0.7 MEDICION DE FLUJO DE UNA CANALETA PARSHALL - Condiciones para el cálculo del Caudal Debemos tener en cuenta que nuestra guía es la figura 1, las secciones más importantes para la medición del caudal serán H a, Hb y W, esta última arraigada a los datos de la Tabla 1. Hay dos tipos de métodos para la determinación del caudal del aforador, por Descarga Libre y Descargar por Sumersión o Ahogada, ambas tienen su forma de trabajar y medir el caudal distinto es por eso que hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones. Cuando la carga Hb es considerablemente menor que la carga Ha, se dice que el medidor trabaja con descarga Libre y en estas condiciones el gasto es función únicamente de la carga Ha de la entrada; pero cuando la carga Hb defiere poco de la carga Ha se dice que el medidor trabaja con Sumersión y entonces el gasto es función de las dos cargas Ha y Hb. A la relación S= Hb Ha se le llama Grado de Sumersión y es la que determina si en un momento dado el medidor trabaja con descarga libre o con sumersión, estas características de escurrimiento, están determinadas con los siguientes valores límites: TAMAÑO DEL MEDIDOR DESCARGA LIBRE CON SUMERSIÓN Las investigaciones de Parshall mostraron que cuando el grado de sumersión es mayor de 95%, la determinación del gasto se vuelve muy incierta debiendo adoptarse por lo tanto 95% como valor máximo de SUMERGENCIA. DESCARGA LIBRE La ecuación general Q=M∗( H )n está dada por la siguiente expresión: a Q : Caudal. Ha: profundidad del agua en una ubicación determinada del aforador. M y n: son valores diferentes para cada tamaño de aforador. TABLA 2 Parshall logró demostrar que para cada ancho de la garganta (W) se podía determinar una función distinta de m y n como constantes, así mismo elaboró fórmulas basadas en el ancho de la garganta como rango único, la cual está en función de la altura y unos valores constantes representativos de m y n. En la siguiente tabla apreciamos las fórmulas de Caudal para cada rango de W, expresada en metros y pies. TABLA 3 DESCARGA CON SUMERSION O AHOGADA Q=M∗ ( H a )n−C La ecuación general está dada por la siguiente fórmula: De donde C es un factor de corrección obtenido a partir de las siguientes fórmulas tabuladas de acuerdo al ancho de la garganta. El procedimiento del cálculo del caudal se hace de la misma forma que en descarga libre, tan sólo hay que restar ese coeficiente. Estos factores van ligados a que cuando se trabaja con descarga ahogada, el cociente entre las alturas de las cotas de lámina de agua, antes y después de la garganta perceptiblemente no presentan diferencia alguna debido a la gran magnitud que pudiese estar transportando en caudal el canalete, por eso Parshall examinó este problema y determino efectivamente estos coeficientes de corrección que acentúan el caudal que en sí si se está transportando. EJERCICIOS DE DESCARGA LIBRE. 1. Determine el gasto para un aforador parshall que tiene un ancho de garganta de 50.8 mm y una profundidad de 100 mm n Q=M∗(H a ) Datos W =50.8mm H a=100 mm El ejercicio se encuentra a descarga libre y de acuerdo a la ecuación debemos buscar los valores de M y n en la tabla respectiva. M =0,002702 n=1,55 Se remplaza en la formula. 100 ¿ ¿ Q=0,002702∗¿ Q=3,40 L S 2. Determine el Caudal de una canaleta Parshall que tiene una profundidad de 2 metros y un ancho de garganta de 7 metros. Datos W =7 m H a=2 m El ejercicio se encuentra a descarga libre y para este método buscamos el caudal de acuerdo a la fórmula que se ajusta al ancho de la garganta respectiva. Para: W(metros) = W(metros) 7m Caudal 2.50−15.00 (2.293 W +0.474) * ( H a )1.6 Basándose en la formula se reemplazan los datos para la determinación del caudal. Q=(2.293W +0.474) * ( H a )1.6 Q=(2.293(7)+0.474) * (2)1.6 Q=50.0 m3 s EJERCICIOS DE DESCARGA AHOGADA 3. Determine el gasto para un aforador parshall que tiene un ancho de garganta de 6.10 m, con un grado de sumergencia del 89% y con nivel de Ha agua de 1.50 m de altura ( ). Formula de caudal para descarga ahogada Q=M∗ ( H a )n−C SOLUCIÓN Datos W =6.10 m S=0.89 H a=1.50 m Para deducir si el ejercicio se encuentra a descarga libre o descarga ahogada se debe tener en cuenta el ancho de garganta (W) Y EL grado de sumergencia (S), que para nuestro caso es de 89%. Estos valores los identificamos en la gráfica respectiva. Como el grado de sumergencia se encuentra en el intervalo de 0.8 a 0.95 se dice que está a sumersión, por lo tanto se resuelve por descarga ahogada, debido a esto se tiene que realizar un factor de corrección para poder determinar el caudal. Formula de caudal para descarga ahogada n Q=M∗( H a ) −C C=¿ Es el factor de corrección, el cual está ligado con el ancho de la garganta, el grado de Sumergencia y Ha: El ancho de la garganta presente para este ejercicio está en un intervalo de (2.50 a 15.00)m y para estos datos corresponde el siguiente factor de corrección. 0.71 0.89−¿ ¿ 1.50 ¿ ¿ C=69.671¿ C=3.10 Se reemplaza en la fórmula de caudal para descarga ahogada. Pero inicialmente se buscan los datos de M y n en la gráfica. n Q=M∗( H a ) −C Q=14.45∗( 1.50 )1.60−3.10 Q=27.64−3.10 Q=24.54 m s 3 CONCLUSION El cálculo para el proyecto e instalación de un medidor Parshall se reduce únicamente a comparar la relación del par de valores. Tamaño W y pérdida de carga p correspondiente, que tienen lugar en diferentes tamaños de medidores, con el objeto de escoger aquel que presente mayores ventajas. El buen funcionamiento de la estructura no sólo depende de un tamaño adecuado sino también de una correcta instalación, y para ello es necesario conocer de antemano la pérdida de carga que origina la estructura para adoptar una correcta elevación de la cresta sobre la plantilla del canal, pues se corre el riesgo de colocar el medidor demasiado bajo haciendo que aún para gastos pequeños trabaje con sumersión, o bien demasiado alto, con lo cual, además de elevar innecesariamente el tirante aguas arriba del medidor se aumenta excesivamente la velocidad en la salida, que puede causar erosiones en el canal. BIBLIOGRAFIA - Sitios Web de Consulta: http://arkon.co.uk/spa/products/parshall-flumes http://www.efisa.com.mx/productos/medidores-parshall/manual-de-instalacionde-medidores-de-flujo-parshall.html http://www.psi.gob.pe/docs/%5Cbiblioteca%5Cmanuales %5Ccalibracion_estructuras.pdf http://es.slideshare.net/rafadavimendez/canaleta-parshall http://hidraulica.umich.mx/laboratorio/images/man_pdf/6o/6_p4.pdf - Libros de Consulta: HIDRAULICA DE CANALES – Pedro Rodríguez Ruiz MANUAL DE HIDRAULICA – Acevedo HIDRAULICA II - Ven Te Chow
Report "Diseño y Medicion de Caudal Canaleta Parshall"