UNIVERSIDAD DE ORIENTE ESCUELA DE CIENCIAS DE LA TIERRA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL LABORATORIO DE HIDRAULICA NÚCLEO BOLIVAR
MEDICIO MEDICIO N DE CAUDALES CAUDALES Y EJECUCIO EJECUCIO N DE AFOROS
Profesor:
Bachiller:
Cd Bolívar, Abril 2013
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INDICE
INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………...…3 MEDICION DE CAUDALES Y EJECICIÓN DE AFOROS…………………..…4 Método Volumétrico……………………………………………………….4 Chorros Verticales…………………………………………………………5 Aforo por Coordenadas del Chorro ……………………………………6 Método Área-Velocidad…………………………………………………...8 Aforo por Trazadores……………………………………………………..9 Escalas Limnimétricas…………………………………………………..12 Vertederos de Aforo……………………………………………………..12 PRINCIPALES TIPOS DE MEDIDORES……………………………………….14 Placas de Orificios……………………………………………………….14 Tubo Venturi……………………………………………………………....15 Tubo Pilot………………………………………………………………….15 Tubo Annubar ……………………………………………………………..16 Codos……………………………………………………………………….17 CONCLUSIÓN……………………………………………………………………..18 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………19
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INTRODUCCIÓN Aquí se clasifican y describen brevemente los dispositivos más utilizados para la medida de caudales, que en realidad se basan en la medida de velocidades por las que el fluido circula por una conducción. En la mayoría de estos instrumentos, el caudal se calcula de forma indirecta mediante el cálculo directo de la diferencia de presión que se produce en el mismo. Existen instrumentos que miden la velocidad local en un punto de la conducción, y equipos que miden la velocidad media a su paso por una sección El régimen de caudales es un dato básico, indispensable, para todos los diseños hidráulicos y para muchas obras civiles en los que ellos son parte importante como las carreteras, puentes, acueductos, presas, etc. El objeto de toda estación de aforo es poder establecer la curva de caudales contra el tiempo, así la instalación de muchas "estaciones de aforo" que permitan observar, en una serie de años tan larga, como sea posible, los caudales escurridos en puntos característicos del río principal y, si fuere oportuno, de sus diversos afluentes, es el principio de todo estudio hidráulico de una cuenca. Sin embargo en países como el nuestro las estaciones de aforo de caudales son inexistentes en muchos sitios, lo que ha obligado a recurrir a métodos aproximados para la estimación de los caudales de diseño, como son los métodos de regionalización. Sin embargo jamás debe olvidarse que ningún método por bueno que sea reemplaza la medida directa de la variable.
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MEDICION DE CAUDALES Y EJECICIÓN DE AFOROS
“Aforar es medir un caudal. En Hidrología puede ser necesario medir desde
pequeños caudales (unos pocos litros/seg.) hasta grandes ríos con caudales de centenares o miles de
/seg.” (Sánchez J., 2013, p. 1).
Entre los más conocidos tenemos los siguientes:
Método Volumétrico “La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición
directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desvía hacia un canal o cañería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro. Para los caudales de más de 4 l/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenará en 2½ segundos. Para caudales mayores, un recipiente de 200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 1/s. El tiempo que se tarda en llenarlo se medirá con precisión, especialmente cuando sea de sólo unos pocos segundos. La variación entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de los resultados ” ((2011). Aforo de Canales y Tuberías, p.1).
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La función básica del venturímetro consiste en producir un estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las presiones. Con la medición de este cambio es posible conocer el caudal que circula por la sección. El estrangulamiento es relativamente brusco, pero la ampliación hasta la sección original es gradual.
Chorros Verticales “Si la corriente se puede desviar hacia una tubería de manera que descargue
sometida a presión, el caudal se puede calcular a partir de mediciones del chorro. Si la tubería se puede colocar de manera que la descarga se efectúe verticalmente hacia arriba, la altura que alcanza el chorro por encima del extremo de la tubería se puede medir y el caudal se calcula a partir de una fórmula adecuada. Es asimismo posible efectuar estimaciones del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde tuberías horizontales o en pendiente y desde tuberías parcialmente llenas, pero los resultados son en este caso menos confiables.” ((2011). Aforo de Canales y Tuberías, p.2).
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Q en metros cúbicos por segundo; D y H en metros. Si H < 0,4 D utilícese la ecuación (1) Si H > 1,4 D utilícese la ecuación (2) Si 0,4D < H < 1,4D calcúlense ambas ecuaciones y tómese la media. b) Chorro
Aforo por Coordenadas del Chorro Para aplicar este método es necesario que la tubería de descarga esté perfectamente horizontal y construir una regla como la que se muestra.
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La característica de esta regla es que uno de sus lados debe medir 25 cm., mientras que por el otro lado se traza una escala en cm. para facilitar las lecturas. La medición se realiza desplazando la regla por la parte superior del tubo hasta que la parte inferior roce el chorro de agua que sale del tubo. En ese momento se lee en el lado que está sobre el tubo la distancia que alcanza el chorro y conociendo el diámetro del tubo mediante la tabla se determina el caudal.
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Método Área-Velocidad Para obtener mayor aproximación en la determinación del caudal en canales y tuberías, con la aplicación de estos métodos, es importante medir la velocidad del caudal en puntos localizados de la sección transversal, donde la velocidad promedio ocurra con mayor probabilidad. La distribución vertical de velocidades en función de la profundidad, se asemeja a un paraboloide con foco sobre la línea donde ocurre la velocidad máxima. “En una tubería completamente llena, la máxima velocidad se desplaza por el
centro del tubo y la mínima se desplaza adyacente a las paredes del conducto, donde la fricción retarda el avance; la velocidad promedio se localiza a 3/8 de diámetro alrededor del centro de la tubería, como se muestra
en
la
siguiente
figura.
La
velocidad
promedio
equivale
aproximadamente a 0.80 de la velocidad máxima, este criterio práctico es aplicable a las tuberías en general, donde normalmente predomina un flujo turbulento.” ((2012), Métodos de Aforos , p.8).
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Aforo por Trazadores. “Esta técnica se usa en aquellas corrientes que presenten dificultades para la
aplicación del método área velocidad o medidas con estructuras hidráulicas, como en corrientes muy anchas o en ríos torrenciales. ” ((2012), Medición de Caudales, p.45)
Se basan en la inyección de una sustancia detectable, colorante o sustancia radiactiva que es medida aguas abajo del punto de inyección. Existen 2 métodos:
Método de inyección continua.
A un cauce de caudal (Q) se añade un pequeño caudal continuo (q) de una disolución de concentración (C1). Supongamos que el río ya tenía una concentración (C0) de es a misma sustancia. Se cumplirá que:
Como:
Despejando el caudal (Q) tenemos: 9
Dónde: Q = Caudal de la corriente aforada ( l/s o en m3 /s).
q = Caudal del trazador o de la solución salina aplicada (l/s o en m3/s). C 1 = Concentración del trazador o de la sustancia química en la solución. C 2 = Concentración del trazador o sustancia química después de la
aplicación. C 0 = Concentración del trazador o de la sustancia química antes de
la aplicación.
Método de inyección puntual.
Supóngase que en el tramo 1 se adiciona un pequeño volumen de trazador (V1) con una concentración alta (C1). Si existe en el río una concentración (Co), el perfil desconcentraciones en el rió se comporta con el tiempo así:
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Perfil de concentraciones en el rió.
Por continuidad se tiene:
Dónde: Q= Caudal de la corriente que se desea conocer C 1= Concentración del trazador V 1= Volumen del trazador C 2 = Función que define la concentración del trazador, en el punto de control
en función de (t). C o= Concentración encontrada en el rió antes de la dosificación.
Resolviendo la ecuación para (Q) se tiene:
∫
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Escalas Limnimétricas. “Se trata de escalas graduadas en centímetros y firmemente sujetas en el
suelo. En cauces muy abiertos suele ser necesario instalar varias de manera que sus escalas se sucedan correlativamente. Es necesario que un operario acuda cada día a tomar nota de la altura del agua. ” ((2012), Medición de Caudales, p.51)
Vertederos de Aforo.
Sin duda son los más sencillos y utilizados para medir el caudal en canales abiertos. Según la forma que se obligue a adoptar a la sección de la
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vena líquida que circule por él, se clasifican en rectangulares, trapezoidales y triangulares. “La carga o altura de agua que pase sobre la cresta del vertedero debe
medirse a una distancia aguas arriba tal, que no sea afectada por la depresión de la superficie del agua que se produce al aproximarse a la cresta. Esto se consigue haciendo las mediciones a una distancia de por lo menos seis veces la carga (altura) máxima a la que puede llegar el vertedero.” ((2012), Medición de Caudales , p.52) La forma más conveniente de realizar las mediciones es clavando una estaca en el fondo del canal aguas arriba del vertedero, a un distancia de por lo menos 6 veces la carga de agua a medir, sobre la cual se coloca una regla graduada en centímetros, cuidando que su origen, el cero, quede a la altura de la cresta del vertedero
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Principales Tipos de Medidores. Entre los principales tipos de medidores se pueden destacar los siguientes:
Placas de Orificios. “La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la
tubería. El orificio de la placa, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmental. Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente, un pequeño orificio de purga. Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica. ” (Gutiérrez L., 2012, p. 23). Una placa orificio es una restricción con una abertura más pequeña que el diámetro de la cañería en la que está inserta. La placa orificio típica presenta un orificio concéntrico, de bordes agudos. Debido a la menor sección, la velocidad del fluido aumenta, causando la correspondiente disminución de la presión. El caudal puede calcularse a partir de la medición de la caída de presión en la placa orificio
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Tubo Venturi. El tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero está diseñado para eliminar la separación de capas próximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre. El cambio en la sección transversal produce un cambio de presión entre la sección convergente y la garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de presión. Aunque es más caro que una placa orificio, el tubo Venturi tiene una caída de presión no recuperable mucho menor.
Tubo Pilot. “El tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial
y también conocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. En la siguiente figura se muestra, en su forma más sencilla, un pequeño tubo con la entrada orientada en contra del sentido de la corriente del fluido. La velocidad del fluido en la entrada del tubo se hace nula, al ser un punto de estancamiento, convirtiendo su energía cinética en energía de presión, lo que
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da lugar a un aumento de presión dentro del tubo de Pitot. ” (Gutiérrez L., 2012, p. 27).
El tubo Pitot mide la presión estática y la presión dinámica del fluido en un punto de la tubería. El caudal puede determinarse a partir de la diferencia entre ambas presiones.
Tubo Annubar Un Annubar consiste de varios tubos Pitot ubicados a través de la cañería para proveer una aproximación al perfil de velocidad. El caudal total puede determinarse a partir de esas múltiples mediciones.
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Codos “Cuando un fluido circula por el codo de una tubería, está sujeto a una
aceleración angular. La fuerza centrífuga resultante crea una presión diferencial entre el radio interior y el radio exterior. La raíz cuadrada de esta presión diferencial es proporcional al caudal, siendo la base fundamental de estos medidores de caudal. ” (Gutiérrez L., 2012, p. 28). Es uno de los medidores de caudal más simple, las aberturas en el lado interno y externo del codo se conectan a un manómetro diferencial. Debido a la fuerza centrífuga en la curva, la diferencia de presiones está relacionada con el caudal. Una longitud recta debe anteceder el codo, y para resultados más exactos el medidor debería calibrarse in situ. Debido a que la mayoría de las tuberías tienen un codo este puede utilizarse como medidor.
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CONCLUSIÓN
El caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. La medición práctica del caudal líquido en las diversas obras hidráulicas, tiene una importancia muy grande, ya que de estas mediciones depende muchas veces el buen funcionamiento del sistema hidráulico como un todo, y en muchos casos es fundamental para garantizar la seguridad de la estructura. Existen diferentes técnicas e instrumentos para medir el caudal, los cuales acabamos de ver, la técnica a utilizar dependerá de la necesidad y condiciones en las cuales se esté.
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BIBLIOGRAFÍA
SÁNCHEZ, J. Abril-2013. Aforos -- Dpto. Geología Universidad de Salamanca (España) http://hidrologia.usal.es/temas/Aforos.pdf
(2011). Aforo de Canales y Tuberías . http://es.scribd.com/doc/73669794/Aforo-de-canales-y-tuberias#download (24 Nov. 2011)
(2012). Métodos de Aforos. http://es.scribd.com/doc/97390009/CLASIFICACION-DE-LOS-METODOS-DE-AFORO (18 Jun. 2012)
(2012), Medición de Caudales . http://es.scribd.com/doc/105256387/Seccion-2-Medicion-de-Caudales (07 Sep. 2012)
GUTÍÉRREZ, L. Medida y evaluación de las extracciones de agua subterránea. ITGE -- Centro Español de Metrología (Madrid)
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