Revista Laboratorios de Ingeniería, No 9 (2014) HIDRAULICA Y LABORATORIO
ESTUDIO DE UN MEDIDOR DE REGIMEN CRÍTICO: CANALETA PARSHALL 1
1
Lu is Dav id Co rrea A rreg oc é s , Jos éAn to nio Lag un a Alem án , Orlando Javier Piedrahita 1 1 1 Gonzales , Enriqu Enriqu e David David Pineda Bon ivento , K ev in Ja vi er Ram írez Gar cía 2 Huberto Sará 2 Dalia Moreno 1
Estudiantes, Facultad de Ingeniería, V Semestre, Programa de Ingeniería Civil. 2 Docente, Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil, Hidráulica. Cartagena de Indias D. T. y C., 20 de Octubre de 2014
RESUMEN: La práctica correspondiente al presente informe de laboratorio tuvo como finalidad principal observar el comportamiento del flujo en un canal que pasa por encima de una canaleta Parshall. Esto se realizó en un canal de 0.3 m de ancho y con una canaleta Parshall de 0.138 m, y para cuatro valores de caudales (los tres primeros ahogados y el último libre), el primero de 23,693 l/seg, el segundo 15,819 l/seg, un tercero 12,198 l/seg y por ultimo un caudal de 5,815 l/seg, estos se midieron en el venturimetro. Luego se hizo medición de tirantes y velocidades tanto aguas abajo como aguas arriba, además de dos tirantes sobre la canaleta Parshall que correspondían a las lecturas de la mira del aforo ( y ). Estos datos sirvieron para determinar el valor del caudal para cada medición, por medio de las diferentes ecuaciones para la canaleta Parshall y la ecuación de velocidad por área mojada, con lo cual se pudo apreciar que con la primera ecuación de Parshall usada, se obtuvo menos discrepancia de los valores experimentales que con la segunda ecuación. PALABRAS CLAVES: Canaleta Parshall, Garganta, Flujo Ahogado, Flujo Libre, Tirante, Caudal, Velocidad.
ABSTRACT: The practice of the reporting laboratory had as main purpose to observe the behavior of the flow in a channel that passes over Parshall Flume. This was done in a channel 0.3 m wide and with a Parshall flume 0.138 m, and for four values of flow (the first three and the last free drowned), the first of 23,693 l/s, the second 15,819 l/s, a third 12,198 l/s and finally a flow rate of 5,815 l/s, these were measured in the Venturi. Then straps and speed measurement was made both downstream and upstream, and two straps over the Parshall flume corresponding to the readings of the sight of the capacity ( and ). These data were used to determine the flow rate for each measurement, using different equations for Parshall flume and the rate equation for wet area, which could be seen with the first equation used Parshall, was obtained less discrepancy of the experimental values with the second equation. KEYWORDS: Parshall Flume, Throat, Choking Flow, Free Flow, Tight, Flow, Speed.
1. INTRODUCCIÓN A través del tiempo se he vuelto indispensable crear estructuras que permitan regular el flujo del agua y la medición de caudales en canales, por ello las canaletas son usualmente empleadas en cualquier tipo de canales; estas son medidores de flujo crítico que opera con una condición no sumergida o de flujo libre, que tiene la profundidad crítica en la sección contraída y un resalto hidráulico en la sección de salida, que puede ser sumergido bajo ciertas condiciones de flujo.
medir el caudal por el efecto ventura en canales abiertos. La canaleta presenta una forma abierta, compuesta por una sección convergente, una garganta y una sección divergente. Puede ir anclada a la obra mediante orejetas con tirafondos o bien embebido en obra. [1]
La canaleta Parshall utilizada en la práctica del correspondiente informe, es una estructura hidráulica que permite medir el flujo de agua que pasa por una sección de un canal.
1.1. OBJETIVO Objetivo general Ilustración 1: Canaleta Parshall [1] .
Observar el comportamiento del flujo en un canal que pasa por encima de una canaleta Parshall.
Objetivos específicos
Identificar cada una de las partes de la canaleta Parshall para su puesta en operación. Determinar el caudal en la sección de control, después de medida la lámina de agua sobre la canaleta Parshall. Analizar e interpretar la ecuación de energía aguas arriba y aguas abajo, así como la ecuación que relaciona el caudal en la sección de control con una altura sobre la canaleta Parshall.
2. MARCO TEORICO El canal Parshall es un sistema que se aplica para la medición de caudales. Por tanto, se instala en canales abiertos, dejando libre tanto la entrada como la salida, para que no haya ningún tipo de problemas en el desarrollo de la actividad. Tiene la misión de
El flujo a través del medidor puede ser en descarga libre o en descarga sumergida. En el primer caso, la lámina vertiente es independiente de las condiciones aguas abajo del canal. La sumergida se presenta cuando el nivel aguas abajo del medidor es lo suficientemente alto para afectar el flujo a través de éste. Consiste en un segmento de canal con cambio rápido de pendientes y construcción en el punto llamado Garganta. Al comienzo de ella el agua pasa por la profundidad crítica y debido al cambio de pendiente se acelera hasta crear un régimen súper critico que se convierte en un salto hidráulico al encontrar la pendiente negativa de la sección G de salida en la que el régimen es subcrítico, este salto hidráulico es el que se usa para la mezcla rápida. A fin de que pueda utilizarse con tal propósito, debe cumplir los siguientes requisitos:
Que no trabaje ahogada, o sea, que la relación S = Hb/Ha no exceda los siguientes valores presentados en la tabla 1.
Ancho de Garganta (pulg.)
Máxima Sumergencia (S)
3-9 12-96 120- 600
0.6 0.7 0.8
Tabla 1: Relación Ancho de garganta vs Sumergencia [2]
Que la relación Ha/W este entre 0.4 y 0.8. la razón para esta condición es que la turbulencia del resalto no penetra en profundidad dentro de la masa de agua, dejando una capa, bajo el salto, en que el flujo se transporta con un mínimo de agitación. Al bajar Ha el espesor de esta capa se minimiza.
Que el número de Fraude este comprendido entre estos dos rangos 1.7 a 2.5 o 4.5 a 9.0 debe evitarse números entre 2.5 y 4.5 que producen un resalto inestable el cual no permanece en su posición, sino que siempre está cambiando de sitio.[2]
Existen varias fórmulas para el cálculo de flujo en canales Parshall con un flujo libre, las cuales son expuestas en la tabla 2.
W (pulg)
Ecuación
3 6 9 12-8 10-50
Tabla 2: Ecuaciones de flujo para cada ancho de garganta [3]
Cuando el flujo es sumergido se aplican factores de corrección experimentales expresadas en graficas (Ver ilustración 2 y 3).
Ilustración 3: Diagrama para el cálculo de la tasa de flujo sumergido, en pies 3/s, a través de una canaleta Parshall de 10 pies de ancho. [3] La corrección para la canaleta de un pie obtenida a través de la ilustración 2 se hace aplicable a canaletas mayores multiplicando la corrección de la canaleta de un pie por el factor dado a continuación, de acuerdo con el tamaño particular de la canaleta que se utilice. (Ver tabla 3)
W (pies)
Factor de Corrección
1 1.5 2 3 4 6 8
1.0 1.4 1.8 2.4 3.1 4.3 5.4
Tabla 3: Factores de corrección para tasas de flujos sumergidos a partir de la canaleta de 1 pie de ancho de garganta, para anchos de gargantas mayores. [3] De manera similar, la corrección para la canaleta de 10 pies se hace aplicable a canaletas mayores multiplicando la corrección para la canaleta de 10 pies por el factor dado a continuación para la canaleta particular que esté utilizándose.[3]
W (pies)
Factor de Corrección
10 12 15 20 25 30 40 50
1.0 1.2 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0
Tabla 4: Factores de corrección para tasas de flujos
Ilustración 2: Diagrama para el cálculo de la tasa de flujo sumergido, en pies3/s, a través de una canaleta Parshall de un pie de ancho. [3]
sumergidos a partir de la canaleta de 10 pies de ancho de garganta, para anchos de gargantas mayores. [3]
3. MATERIALES Y METODOS 3.1. Metodología
4. DISCUSIÓN DE RESULTADO 4.1. Registro de datos experimentales
Para realizar la presente práctica, en primer lugar se tomó el canal hidráulico de sección transversal rectangular el cual posee un ancho de base de 30 cm, y con una Canaleta Parshall instalada en el centro del canal de garganta de 13.8 cm, se encendió la bomba la cual suministraba un caudal constante (l/seg) en el mismo y se esperó a que el flujo en el canal se estabilizara (20 segundos). Posteriormente se registró la lectura del manómetro del venturímetro (m) y la temperatura del agua (°C). Inmediatamente se midieron 3 tirantes (m) aguas arriba y 3 tirantes (m) aguas abajo, así como también dos tirantes sobre la canaleta Parshall que correspondían a las lecturas de la mira del aforo ( y ). Del mismo modo se estableció la velocidad (m/seg) tanto aguas arriba como aguas abajo, para esto se utilizó una pelota pequeña de plástico la cual se llenó de agua y se dejó correr junto con el flujo del agua una distancia determinada, se tomó el tiempo (seg) en el que la pelota recorría la distancia utilizando un cronometro; este proceso se realizó tres veces para obtener datos promediados y más acercados a la realidad y con esto se obtuvo la velocidad del flujo. El procedimiento y toma de datos anteriormente descrito se realizó para tres caudales adicionales, teniendo en cuenta que de estos, tres caudales produjeran un flujo ahogado y uno produjera un flujo libre.
En la tabla 6 y 7 se encuentran expuestos los resultados obtenidos en el desarrollo del laboratorio y los promedios calculados ( ̅ ), estos datos se tomaron para cuatro caudales diferentes, la cuales fueron medidas dos tirantes Ha y Hb sobre la canaleta Parshall, los datos tomados con relación a estas ultima tirantes se encuentran en las tablas 4 y 5. Las pruebas se realizaron en un canal de 0,3 m de ancho. Tirantes(m)
Tiempo(seg)
Dist.(m)
Medida
AA
Aa
AA
Aa
AA
Aa
Q (l/s)
1
0,248
0,0445
3,02
1,14
1
2
23,693
1
0,248
0,0497
2,99
1,15
1
2
23,693
1
0,249
0,0497
3,05
1,2
1
2
23,693
0,248
0,047
3,02
1,16
1
2
23,693
2
0,208
0,035
3,5
1,44
1
2
15,819
2
0,208
0,036
3,53
1,46
1
2
15,819
2
0,207
0,038
3,7
1,35
1
2
15,819
0,208
0,0363
3,57
1,41
1
2
15,819
3
0,168
0,0269
4,3
1,77
1
2
12,198
3
0,169
0,0286
4,29
1,78
1
2
12,198
3
0,168
0,0318
4,32
1,74
1
2
12,198
0,168
0,0291
4,303
1,763
1
2
12,198
4
0,093
0,0168
5,54
2,55
0,5
2
5,815
4
0,093
0,0193
5,56
2,5
0,5
2
5,815
4
0,093
0,0192
5,52
2,47
0,5
2
5,815
0,093
0,018
5,54
2,50
0,5
2
5,185
Tabla 6: Tirantes y tiempos medidos en aguas arriba
3.2. Materiales
aguas abajo y caudales con el venturimetro
Materiales
Cantidad
Agua Canal Pelotas de plástico
Necesaria 1 2
Cronometro
2
Medidor de tirantes
2
Canaleta Parshall
1
Tabla 5: Materiales utilizados
Ha(m)
Hb(m)
0,193
0,1719
0,193
0,175
0,194
0,1741
0,193
0,1736
0,1544
0,1348
0,154
0,1369
0,1546
0,1367
0,154
0,1361
0,1667
0,0978
0,1667
0,0976
0,1667
0,0969
=0,1667
0,0974
0,0468
0,0255
0,0468
0,0255
Conociendo los valores de la velocidad y del área mojada podemos calcular los caudales promedios para cada una de las tirantes aguas arriba y aguas abajo promedio. (Ver tabla 9). Además teniendo en cuenta cada una de las tablas podemos calcular el número de Froude como se puede observar en la tabla 10
AA
Aa
Caudal promedio (l/seg)
1
24,662
24,739
24,70075333
2
17,438
15,388
16,41312976
3
11,732
9,90170
10,81723331
4
2,52166
4,4122
3,466947346
Caudal (l/seg)
Medida
Tabla 9: Caudal calculado por tirantes de aguas arriba y abajo. Numero de Froude
Medida
0,0468
0,0255
=0,0468
0,0255
AA
Aa
1
0,212285735
2,507511976
Tabla 7: Tirantes sobre la canaleta Parshall con sus
2
0,195876011
2,365901507
respectivos promedios
3
0,180942221
2,123909688
4
0,094470155
1,877234096
4.2. Registro fotográfico
Tabla 10: Numero de Froude obtenido para aguas arriba y aguas abajo promedio.
Según los números de Froude hallados se puede decir para todos los casos que aguas arriba había un flujo subcrítico y aguas abajo un flujo supercrítico. De los datos anteriormente calculados se puede obtener la energía específica tanto como para aguas arribas como para aguas abajo se verá calculada en la tabla 11.
Ilustración 4. Canaleta Parshall (Autores) Energía especifica(m)
4.3. Análisis e interpretación de datos A partir de los valores obtenidos de la práctica se calcularon los datos necesarios para la obtención del caudal experimental, Estos datos se muestran en la tabla 8. Tirantes prom. (m)
Área (m2)
Velocidad (m/seg)
AA
Aa
AA
Aa
AA
Aa
0,248
0,04796
0,0745
0,0144
0,3311
1,7198
0,2079
0,03633
0,0624
0,0109
0,2795
1,411
0,1683
0,0291
0,0505
0,00873
0,2323
1,134
0,093
0,01843
0,0279
0,00553
0,0902
0,797
Tabla 8: Valores calculados de velocidad y área c on las tirantes promedios.
AA
Aa
0,253860764
0,198764665
0,211888292
0,138021067
0,171055078
0,094734939
0,093548923
0,050912939
Tabla 11: Energía especifica calculada. Usando las ecuaciones de la tabla 2 se puede realizar el cálculo de los caudales teóricos utilizando las tirantes Ha y Hb teniendo en cuenta la relación Hb/Ha esto se presenta como un flujo ahogado o libre por tanto el remplazo de la H en ambas ecuaciones depende de la relación si es
menor o igual a 0.6 o mayor a 0.6, en la tabla 12 se darán escogidos los H que se remplazaran en cada una de las expresiones.
Caudal unitario(l/seg) 82,33584445 54,71043254 36,05744437
Tipo
H(m)
Ahogado
0,1719
Ahogado
0,1361
Ahogado
0,0974
Libre
0,0468
11,55649115
Tabla 15: Caudal unitario para cada caudal promedio
Tabla 12: H escogido para el remplazo de las ecuaciones
En la siguiente tabla se observaran las caudales obtenidos por medio de la expresión uno y a las vez comparados con los caudales hallados en aguas arriba y aguas abajo.
Cabe destacar que cada caudal unitario es calculado con los caudales promedio obtenidos por aguas arriba y aguas abajo. Para apreciar con mayor facilidad el comportamiento del flujo con la canaleta Parshall se realizan distintas graficas como se pueden observar a continuación. 0.3
Caudal (l/seg)
Error caudal 1
Expresión 1
(%)
0,1719
20,65661889
19,57791091
0,1361
14,47776154
13,36786916
0,0974
8,700737877
24,3254706
0,0468
2,851566743
21,58043835
H(m)
Tabla 13: Caudales teóricos 1 y error porcentual. De igual forma con la segunda expresión se procede al cálculo de los caudales teóricos 2 y a compararlos con los hallados en aguas arriba y aguas abajo, como se puede observar en la tabla 14. Caudal (l/seg)
Error caudal 2
Expresión 2
(%)
0,1719
21,63792356
14,1549154
0,1361
15,24364952
7,671917666
0,0974
9,228693074
17,21305741
0,0468
3,073764191
12,79158486
H(m)
Tabla 14: Caudales teóricos 2 y error porcentual . Se puede observar que al comparar los errores porcentuales obtenidos por los caudales hallados por medio de la expresión 1 y los hallados por medio de la expresión 2 que el error porcentual por en el segundo caso es menor al de los calculados con la primera ecuación. Luego de esto se procede h realizar el cálculo del cauda unitario como se puede observar en la tabla 15.
0.25
) m ( 0.2 s e t n0.15 a r i T 0.1
AA Aa HAA
0.05
HAa
0 0
0.1
0.2
0.3
Energia especifica (m)
Grafica 1: Tirantes del canal y tirantes sobre la estructura contra energía específica.
De la gráfica anterior se puede observar que el comportamiento de la energía específica tanto en el canal como sobre la estructura son directamente proporcional a las tirantes. 0.2 0.15 ) m ( 0.1 H
Q Expresion 1
0.05
Q Expresion 2
0 0
10
20
Caudales (l/seg)
30
Grafica 2: Tirante H contra caudales hallados con las expresiones
0.3 ) 0.25 m ( 0.2 s e t 0.15 n a a 0.1 r i T
AA Aa
0.05 0 0
10
20
30
Caudal ( l/seg)
Grafica 3: Tirantes aguas arriba y aguas abajo vs caudal.
Para la gráfica 2 y 3 se observa que el campamiento del caudal para cada una de las tirantes va en aumento y que se presenta una pequeña diferencia entre los caudales hallados con las dos expresiones 0.3
medidas en la práctica, en comparación con los valores de caudal calculados con la expresión 2, por lo que puede representar para ensayos futuros el grado de precisión y de asertividad de la ecuación 1 para cálculos de este tipo. Por último, se pudo observar un valor mayor de energía específica en las tirantes aguas arriba de la estructura hidráulica que en las tirantes aguas abajo sobre la estructura. Esto puede aludirse a la perdida de energía que se produce al pasar el flujo sobre la estructura misma
6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Canaleta Parshall Recuperado el 17 de octubre de 2014 en el siguiente enlace
[2] Canaleta Parshall Recuperado el 17 de
0.25 ) 0.2 m ( s0.15 e t n a r i 0.1 í T
AA Aa
0.05 0 0
50
Caudal unitario (l/seg)
100
Grafica 4. Tirantes aguas arriba y aguas abajo vs caudal unitario.
De la gráfica 4 se puede observar que el caudal unitario es directamente proporcional a las tirantes del canal .
5. CONCLUSIONES Haciendo uso de la canaleta Parshall pudo determinarse de manera satisfactoria el valor del caudal, haciendo uso de las ecuaciones 1 y 2. De tal manera que se pudieron lograr los objetivos propuestos e identificar de manera positiva los elementos de la estructura de la canaleta, así como lo son las miras de aforo para las lecturas de las tirantes sobre la misma. Es importante anotar que los valores de los caudales hallados con la ecuación 1 se acercaron más a los valores de caudal hallados con las tirantes y velocidades
octubre de 2014 en el siguiente enlace
[3] CHOW, Ven Te. Hidráulica de Canales Abiertos. Editorial Mc Graw-Hill. p. 72, 73
