UNIVERSIDAD PERUANA UNION FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA E.A.P. Ingeniería Civil
AFORO DE CANAL Y DISEÑO DE MEDIDOR PARSHALL Presentado por: Cesario Chacon Cruz Dennis David Cayo Mamani Rolby Umpiri Calla Ibeth Yuli Larico Mamani
Docente: Bach. Rody Smith Montesinos Tamara
X Ciclo
Villa Chullunquiani, 11 de noviembre de 2013
INTRODUCCION 1. 2. 3. 4. 5. 6.
OBJETIVO DESCRIPCION DE LA ZONA DEL CANAL AFORO DE LA VELOCIDAD DEL CANAL PRINCIPIO DE ARQUIMEDES MEDIDORES PARSHALL DISEÑO DE MEDIDOR PARSHAL
INTRODUCCION Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad En la actualidad existen diversos tipos de medidores de caudal para canales abiertos, uno de estos es el llamado “Canal de Parshall o Aforador de Parshall”, el cual existen diversos tamaños dependiendo de en donde quiera aplicarse este medidor. 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, su clasificación y la forma de elaborarlo.
1. OBJETIVO Diseñar un medidor Parshall aplicando los conceptos aprendidos en el curso de Estructuras Hidráulicas. Aforar el caudal de un canal de riego 2. DESCRIPCION DE LA ZONA DEL CANAL El canal al cual se le tendrá que diseñar un medidor Parshall está ubicado en el Departamento de Puno Provincia de San Román y Distrito de Cabanilla (Fig.2.1) Como bien se sabe el Proyecto Especial Lago Titicaca PELT, ejecuta obras de irrigación para todo el departamento, en el presente trabajo se toma como referencia el canal ejecutado en la comunidad de Rosario. Ubicado al norte del Distrito de Cabanillas, aproximadamente a 25km, las única via principal de acceso a dicha comunidad es de afirmado, para su transporte los pobladores de dicha zona utilizan las motos lineales, y también moto taxi. Durante el recorrido se encontraron diversos canales, ya sean revestidos de concreto, y otros sin revestir, para realizar el aforo más exacto se tomó un canal de sección trapezoidal ubicado dentro de la comunidad Rosario.
Figura 2.1 3. AFORO DE LA VELOCIDAD DEL CANAL Entre los métodos más utilizados para medir caudales de agua se encuentran los siguientes:
Método del flotador Método del correntómetro Método volumétrico Método de la trayectoria
El método empleado para medir el caudal del canal elegido fue el método del flotador, ya que es mas sencillo en cuanto a su medición, dando resultados confiables. A continuación se detalla el proceso del método.
Método del flotador: El método del flotador se utiliza en los canales y acequias y da solo una medida aproximada de los caudales. Su uso es limitado debido a que los valores que se obtienen son los estimados de caudal siendo necesario el uso de otros métodos cuando se requiere una mayor precisión. En este método, de igual manera, se utilizan los valores promedio de las variables determinadas. Pasos: a) Primer paso: Seleccionar el lugar adecuado. Se selecciona en el río o canal un tramo uniforme, en el que el agua fluya libremente, sin turbulencias, ni impedimentos, que sea recto y de sección transversal uniforme, de alrededor de 3 metros de largo, donde el agua escurra libremente. b) Segundo paso: Medición de la velocidad. En el tramo seleccionado ubicar dos puntos, A (de inicio) y B (de llegada) y medir la distancia, una persona se ubica en el punto A con el las boyas y otra en el punto B con el reloj o cronómetro. Se medirá el tiempo de recorrido del flotador del punto A al punto B. Se recomienda realizar un mínimo de 3 mediciones y calcular el promedio. La velocidad de la corriente de agua del río se calcula con base en la siguiente:
c) Tercer paso: Medición del área de la sección transversal del canal. En el tramo seleccionado, ubicar la sección o el ancho del canal que presente las condiciones promedio y en la que se nos facilite la medición del área transversal.
Luego se calcula el área usando el método del trapecio:
d) Cuarto paso: Cálculo del Caudal del río.
Con los datos obtenidos se procede a calcular el caudal del río, QR, con base en la siguiente ecuación: (
⁄ )
( ⁄ )
(
)
Donde K es un factor de corrección relacionado con la velocidad. El valor de K se debe seleccionar de acuerdo al tipo de río o canal y a la profundidad del mismo, de conformidad con la tabla:
4. PRINCIPIO DE ARQUIMEDES Arquímedes de Siracusa vivió entre los años 287 y 212 A.C. Entre sus descubrimientos más notables está el principio de flotabilidad de los cuerpos, conocido hoy como principio de Arquímedes. Arquímedes descubrió que un cuerpo, al ser sumergido parcial o totalmente en el interior de un fluido, experimenta una fuerza hacia arriba, llamada fuerza de empuje o, simplemente, empuje, cuyo módulo es igual al peso del fl uido que desplaza. En este caso el objeto permanece parcialmente sumergido, es decir, flota. Esto se debe a que si el cuerpo se sumerge completamente, su peso es menor que el peso del fluido que desplaza, de manera que asciende hasta la superficie Así, para un objeto flotante, la condición de equilibrio en función de su densidad (ρ0) y la densidad de fl uido (ρ) es:
5. MEDIDORES PARSHALL La conducción elevada Parshall es un dispositivo aforador de camino crítico que se puede instalar en un canal, acequia o surco, para medir el caudal de agua. Es una forma
particular de conducción elevada ventura y se denomina como su principal creador, el fallecido R.L. Parshall. La conducción elevada (Figura 5.1) ha sido normalizada y calibrada para una amplia gama de capacidades en los Estados Unidos.
CONDUCCION ELEVADA PARSHALL Figura 5.1 La conducción elevada consta de tres secciones principales: una sección convergente o de contracción en su extremo de aguas arriba; un tramo que conduce a una sección contraída o garganta y una sección divergente o creciente aguas abajo Las conducciones elevadas de dimensiones mayores tienen un suelo de acceso y muros en aleta en el extremo de aguas arriba. (Fig. 5.2)El suelo de la sección convergente está nivelado, tanto en sentido longitudinal como transversal. El suelo de la garganta se inclina hacia abajo y el suelo de la sección divergente se inclina hacia arriba.
SECCIÓN CONTRAÍDA O GARGANTA Y UNA SECCIÓN DIVERGENTE FIG. 5.2 La conducción elevada tiene varias ventajas significativas. Puede funcionar con pérdidas de altura relativamente pequeñas. Esta posibilidad permite su utilización en canales de profundidad relativamente pequeña y perfiles planos. Para una descarga, la pérdida de altura con una conducción elevada Parshall es solamente alrededor de ¼ de la requerida por un vertedero en condiciones similares de derrame libre. La conducción elevada es relativamente insensible a la velocidad de aproximación. Permite, además, realizar buenas mediciones sin inmersión, con una inmersión moderada o incluso con una inmersión considerable aguas abajo. Si se construye y mantiene debidamente, se pueden obtener exactitudes con un margen de error de ± 2 por ciento para derrame libre y ± 5
por ciento para derrame sumergido. La velocidad de la corriente es lo bastante elevada como para eliminar virtualmente los depósitos de sedimentos dentro de la estructura durante el funcionamiento. Otra ventaja es que no existe ninguna forma fácil de alterar las dimensiones de las conducciones elevadas ya construidas o de cambiar el dispositivo o canal de algún modo para conseguir una proporción de agua no permitid Un inconveniente de la conducción elevada es que las dimensiones normalizadas han reseguirse con unas tolerancias muy pequeñas para poder conseguir una exactitud razonable en las mediciones. Esto exige que la construcción se realice con exactitud, empleando mano de obra especializada, lo que hace que el dispositivo resulte relativamente caro. Otro inconveniente es que las conducciones elevadas no se pueden utilizar en estructuras formadas por la combinación en forma compacta de desviación, dispositivos de control y dispositivos de aforo. La conducción elevada Parshall se puede construir con arreglo a una amplia gama de tamaños para medir descargas comprendidas entre un litro por segundo y más de 100 m por segundo. La anchura de la garganta (W en la figura 5.2) se usa para designar el tamaño de la conducción elevada.
3
5.1. Propiedades hidráulicas La descarga por la conducción elevada Parshall puede tener lugar en condiciones derrame libre o derrame sumergido. Para determinar el régimen de descarga, se disponen dos limnímetros (Ha y Hb). Ambos limnímetros se gradúan con el punto cero en la cota media de la coronación de la conducción elevada. Cuando se elige la relación correcta entre la anchura de la garganta y la descarga, la velocidad de aproximación queda automáticamente controlada. Este control se realiza eligiendo una anchura de garganta que sea suficiente para adaptarse al caudal máximo que haya que medir, aunque debe ser lo suficientemente estrecha para hacer que se produzca un aumento en la profundidad de la corriente aguas arriba. Esto da como resultado una superficie mayor de sección transversal de la corriente de aproximación y, por ende, una reducción de la velocidad. 5.2. Derrame libre En condiciones de derrame libre, el régimen de descarga depende únicamente de la longitud de la coronación, W, y de la profundidad del agua en el punto en que se halle situado el limnímetro, Ha, en la sección convergente, siendo en esto similar a un vertedero en el que solamente intervenga en el cálculo de la descarga la longitud de la coronación y la altura. Una de las importantes características de la conducción elevada
Parshall en su posibilidad de soportar un grado relativamente elevado de inmersión, dentro de una amplia gama de conducciones de aguas remansadas aguas debajo de la estructura, sin reducción del régimen indicado de derrame libre. La corriente que pasa por la garganta y las secciones divergentes de la conducción elevada puede fluir en dos etapas diferentes: (i) cuando el agua velocidad se desplaza en forma de lámina delgada adaptándose perfectamente a la inclinación del extremo inferior de la garganta (indicado por Q en la Figura 5.2), y (ii) cuando el agua remansada eleva la superficie del agua hasta la Cota S, haciendo que se forme un rizo u onda en el extremo de la garganta o justamente aguas debajo de la misma. 5.3. Derrame sumergido En la mayoría de las instalaciones, cuando la descarga se aumenta por encima de un valor crítico, la resistencia a fluir en el canal aguas abajo llega a ser suficiente para reducir la velocidad, aumentar la profundidad de la corriente y producir un efecto de agua remansada en la conducción elevada Parshall. Pudiera pensarse que la descarga empezaría a reducirse tan pronto como el nivel de agua remansada Hb sobrepasase la cota de la coronación de la conducción elevada; sin embargo, no sucede así. Los ensayos de calibración revelan que la descarga se reduce hasta que la razón de inmersión Hb : Ha, expresada en porcentaje, sobrepasa ciertos límites. El límite superior de la razón de inmersión es 95 por ciento. En este punto la conducción elevada deja de constituir un dispositivo eficaz de aforo pues la diferencia de altura entre Ha y Hbllega a ser tan pequeña que cualquier ligera inexactitud en alguna de las lecturas de altura se traduce en un gran error en la medición del caudal. 6. DISEÑO DE MEDIDOR PARSHALL
Canal 1 Sección Inicio: (2) Y
=
0.165 m
T
=
1.075 m
B
=
0.79
m
Sección final: (1) Y
=
0.165 m
T
=
1.06
m
L
B
=
0.78
m
Medición de tiempo en el espejo de agua para una distancia de 20 m 1 2 3 4 5
Tiempo (s) 34.96 24.52 25.96 29.36 26.86
Canal 2 Sección del canal Y
=
0.145 m
T
=
1.16
m
B
=
0.85
m
Medición de tiempo en el espejo de agua para una distancia de 20 m 1 2 3 4 5 6
Tiempo (s) 42.66 45.45 41.94 39.33 40.03 41.98
