Aforo de Caudal AFORO DE CAUDALES EN CORRIENTES Y AFLUENTES Introducción
No aplica. Definiciones especiales
Caudal: flujo de agua por unidad de tiempo. Efluente: salida de un sistema de tratamiento. Responsables de ejecución y supervisión.
El Oficial de Calidad es responsable re sponsable por la adecuada implementación de este procedimiento. El personal que realiza el muestreo es el responsable por la observancia del presente documento. Recursos Documentos
FF-LAB-CVS 53 Aforo de ríos, caños, quebradas y arroyos. FF-LAB-CVS 54 Aforo volumétrico de caudal. FF-LAB-CVS 67 Aforo área – Velocidad de caudal. Equipos
Cronómetro. Cinta métrica, con graduaciones en centímetros y pulgadas. Regla de perfil cuadrado, graduada en centímetros, para medición de altura libre y las coordenadas X, Y Correntómetro o molinete, con todos sus accesorios y con hélice liviana #3. Materiales
Balde o caneca plástica de 10 a 100 L de capacidad, con graduaciones de 1 L , para aforo volumétrico. Probeta plástica, de 100 a 1000 mL de capacidad, para aforo volumétrico de caudales bajos. Esferas plásticas huecas (pimpones), para aforo por área-velocidad.
Limitaciones e interferencias
En la determinación de caudales debe adoptarse la forma más práctica de aforar dependiendo del tipo de descarga que se tenga; si se hace necesario adecuar el sitio de muestreo, se deben dar las instrucciones para la implementación de la adecuación. Los factores que se han de tener en cuenta en el momento de seleccionar un sistema de aforo son los siguientes: •Tipo de conducto y accesibilidad. •El intervalo de medida debe cubrir, con la mejor precisión posible, los caudales máximo y mínimo previstos teóricamente. Si el punto de medida recoge aguas pluviales e interesa determinar su caudal, habrá que tener en cuenta la lluvia máxima registrada caída en la zona. •Debido a que los vertimientos de aguas residuales se hacen por gravedad, el método seleccionado deberá producir la mínima pérdida posible de carga. •Distancia mínima a la que se encuentran todos aquellos servicios generales precisos para el funcionamiento de todos los aparatos de medida (aire a presión, corriente eléctrica, etc.). •Máxima sencillez de manejo y lectura. •Características del agua r esidual a medir, y su influencia en el equipo (corrosión, abrasión, ataque químico, taponamiento, etc.). •Como norma general, todas las partes en contacto con el líquido deben estar totalmente protegidas, y en aquellos casos en que se puedan desprender g ases o vapores, los equipos y el personal se separan de su acción lo más lejos que sea posible, o bien se dotan con la protección adecuada. Procedimiento Aforo volumétrico
La medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y un recipiente aforado, generalmente un balde. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de muestra cualquiera (V) y medir el tiempo transcurrido (t) desde que se introduce a la descarga hasta que se retira de ella; la relación de estos dos valores permite conocer el caudal (Q) en ese instante de tiempo. Se debe tener un especial cuidado en el momento de la toma de muestra y la medición del tiempo, ya que es un proceso simultáneo donde el tiempo comienza a tomarse en el preciso instante que el recipiente se introduce a la descarga y se detiene en el momento en que se retira de ella. Se deben realizar varias mediciones y calcular el promedio. El caudal se calcula como: Q = V / t Siendo: Q = caudal, en L/s; V = volumen, en L; t = tiempo, en segundos. Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la descarga. Entre sus desventajas se cuenta que la mayoría de veces es necesario adecuar el sitio de aforo para evitar pérdida de muestra en el
momento de aforar; también se deben evitar represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas. 2. Aforo en canales abiertos
Vertedero El vertedero es un canal en el cual se coloca una estructura de rebose que puede adoptar distintas formas; el líquido represado alcanzará distintas alturas en función del caudal, relacionadas por ecuaciones dependientes del tipo de vertedero, que puede ser rectangular, triangular o trapezoidal. Las ventajas de este tipo de vertederos radican en su fácil construcción, bajo costo y buen rango de precisión en líquidos que no contengan sólidos. Vertedero rectangular Es el más utilizado y puede ser de dos tipos: Con contracción: Tiene una abertura rectangular más pequeña que el ancho del
canal, la cual produce con el caudal un chorro angosto y más acelerado que el flujo del canal. El flujo se calcula con la fórmula de Francis: Q = 1.83 ´ L ´ H 1.5 Donde: Q= caudal en m 3 /s; L= longitud de la cresta, en m; H= cabeza, en m. Sin contracción: Tienen el ancho de la cresta igual al ancho del canal, por lo tanto
los lados del canal actúan como los lados del vertedero. La ecuación para el cálculo del caudal es la siguiente: Q = 3.3 ´ L ´ H 1.5 Donde: Q = caudal, en pies cúbicos/s; L = longitud de la cresta, en pies; H = cabeza, en pies. Vertedero triangular
Consiste en una ranura angular cortada en el centro del vertedero de tal forma que el ápice de la ranura esté a la misma distancia del fondo del canal como los lados del ángulo a la pared del canal. Los ángulos más utilizados son de 90° y 60°. Son los mejores para medir caudales menores de 28 L/s. El cálculo del caudal es: Para 90°: Q = 1.4 ´ H (2.5) Para 60°: Q = 0.775 ´ H (2.47) Donde: Q = caudal, en m 3 /s; H = altura, en m. Vertedero trapezoidal También llamado vertedero Cipolleti, se caracteriza por su forma trapezoidal siendo las proyecciones de sus paredes 1horizontal y 4 vertical. El cálculo del caudal se hace aplicando la expresión:
Q = 1.859 ´ L ´ H 1.5 Donde: Q = caudal, en m 3 /seg; H = Altura, en m; L = Longitud de la cresta, en m. Método de área–velocidad Este método es utilizado para hallar el caudal en corrientes superficiales y canales abiertos. Para ello es necesario definir el área de la sección (A) y la velocidad promedio (V). El caudal se calcula como: Q=A´V En la práctica, el área transversal total de la corriente o canal se divide en pequeñas áreas seccionales y en cada una de estas áreas se determina el flujo o caudal parcial (q i ). El caudal total se obtiene sumando los caudales parciales. Para medir la velocidad se pueden utilizar correntómetros, molinetes o flotadores. Medida de la velocidad con correntómetro o molinete El medidor de corriente o molinete es un dispositivo constituido por una serie de paletas las cuales giran al estar en contacto con una corriente de agua, siendo el número de revoluciones proporcional a la velocidad de la corriente. Los aforos del flujo pueden realizarse siguiendo diversos métodos: •Con el método de un solo punto se mantiene el medidor a una profundidad de 0.6 h por debajo del agua y en el centro de la misma, siendo poco confiable los resultados obtenidos. •En el método de dos puntos se observa la velocidad a 0.2 y 0.8 h, tomándose el promedio de estos dos valores para representar la velocidad media en la sección vertical. La profundidad en el canal o corriente deberá ser suficiente para que pueda trabajar el molinete. Hay varios tipos de hélices dependiendo de la velocidad de la corriente; si es para poca velocidad se requiere una hélice liviana (#3). En estos medidores la relación entre velocidad del agua y el número de revoluciones está dado por: Q=V´A Donde: Q= caudal; V= velocidad; A= área de la sección; V= a+bnV= velocidad del agua, en m/seg; a y b son constantes de calibración del equipo; n= N° de revoluciones/seg. El tramo o sección a medir debe ser canal abierto, más o menos recto, de fácil acceso, sin turbulencia. Medir el ancho de la sección y dividirla en 4 franjas, tomando las distancias en cada punto. En la parte central de cada una de estas franjas medir la altura de la lámina de agua (h). Ajustar el molinete a 0.4h y medir el número de revoluciones en 1 minuto; medir mínimo 2 veces en cada punto y a esa altura. (Si los datos son muy diferentes entre sí es necesario hacer otra lectura). Ajustar el equipo a 0.6h y medir nuevamente la velocidad por duplicado en cada punto.
Nota: Es importante la selección del número de la hélice utilizada; en el caso nuestro la más común es la No. 3. La ecuación en este caso es: Para n < 0,6: V= 0,236 ´ n + 0,016 Para n > 0,6: V= 0,256 ´ n + 0,004 Medida por velocidad superficial (flotadores) Este método sólo se aplica en tramos uniformes. Consiste en determinar la velocidad del flujo colocando uno ó varios flotadores tales como esferas plásticas huecas, hojas, etc., del mismo tamaño y midiendo el tiempo gastado en recorrer una distancia. Para determinar el área de la sección transversal se mide el largo de la sección escogida, las alturas de la lámina de agua y el ancho de la sección en varias partes. Para medir el tiempo de recorrido del flotador colocar este suavemente sobre la superficie del agua; no se los debe arrojar porque le imparte velocidad y puede afectar la medición. Medir el tiempo de recorrido en la distancia seleccionada varias veces y calcular el promedio. La velocidad resultante se multiplica por un factor entre 0,4 y 0,92 dependiendo de la textura del fondo del lecho o canaleta así: •Poco áspera 0,40 - 0,52 •Grava con hierba y caña 0,46 - 0,75 •Grava gruesa y piedras 0,58 - 0,70 •Madera hormigón pavimento, 0,70 - 0,90 •Grava 0,62 - 0,75
•Arcilla y arena 0,65 - 0,83 Q=V´A Donde: V = velocidad promedio; A = área transversal promedio. Este método solo sirve para estimar el caudal. Se recomienda hacer mínimo 3 lecturas para el cálculo de la velocidad; Si hay muchas diferencias el proceso se debe repetir de 20 a 30 veces, luego se debe elaborar una curva y obtener el valor medio. Medida de Caudal en tuberías total o parcialmente llenas Horizontes ó inclinadas por el método de las Coordenadas X Y. Es posible hacer el cálculo aproximados del caudal que es descargado libremente por una tubería, midiendo las longitudes en las direcciones X, Y del chorro, una vez ha dejado la tubería como se muestra a continuación.
Después de medido los valores de X, Y se procede a medir el área Hidráulica ( A ) utilizando la siguiente grafica: 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 h/D 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A/A 1,00 0,98 0,94 0,90 0,85 0,80 0,75 0,69 0,62 0,56 0,50 0,37 0,25 0,14 0,05 0,00 o 0 1 8 5 8 5 0 9 7 4 0 5 3 2 2 0
Donde: D = Diámetro de la Tubería (cm) A 0 = Área Total de la Tubería (cm 2 ) h = Borde Libre (cm) A = Área Hidráulica (cm 2 ) Con los valores anteriores se calcula el valor del caudal con la siguiente ecuación:
Q = Caudal en Litros /seg. 0.0221 = factor de conversión L* cm -5/2 * s -1 A = Área Hidráulica en cm 2 X = Valor de Abcisa en cm. Y = Valor de la ordenada en cm. Canaletas
Las canaletas están compuestas de 3 secciones: una sección convergente aguas arriba, una garganta o sección contraída y una sección divergente aguas abajo. La canaleta Parshall es el dispositivo ideal para usar en canales abiertos para monitoreo continuo de caudal. Las canaletas se usan más común mente en canales abiertos donde: •La cantidad de flujo no pueda medirse adecuadamente por un vertedero.
•Haya una significante cantidad de partículas y otros materiales que podrían llenar un vertedero. •La capacidad de la cabeza hidráulica sea insuficient e para utilizar el vertedero. Las ventajas que presenta una canaleta es que los sedimentos y otros sólidos pueden ser lavados a través de ella (son autolimpiantes) y son útiles para medir un amplio rango de caudales. El caudal puede ser libre o sumergido. El grado de sumergencia es indicado por la relación de la cabeza de aguas abajo (Hb) a la cabeza aguas arriba (Ha): Relación de sumergencia = Hb/Ha La fórmula general para calcular el caudal es: Q = 4WH n Donde: Q = caudal, en pies cúbicos por segundo; W = ancho de la garganta, en pies; H = altura, en pies; n = 1.522 * W (0.026) Conversión de unidades
1 pie 3 /s = 28,31 L/s; 1 m 3 /s = 1000 L/s Sistema de control
Además de los métodos de aforo donde se debe medir varias veces el caudal y calcular el promedio, si para los demás métodos se tienen dudas de los resultados se deben obtener y registrar varios datos sucesivos del caudal. Cuando sea posible, se pueden utilizar dos o más métodos de aforo, para establecer la repetibilidad de resultados entre ellos. Registrar todos los resultados. Referencias bibliográficas.
Briones, Sánchez Gregorio. Aforo del agua en canales y tuberías. Editorial TRILLAS Mexico 1997. Salazar Arias Álvaro. Contaminación de Recursos Hídricos. Modelos y Control. Medellín Colombia 1996.
