Guìa aforo Laboratorio

UNIVERSIDAD DEL VALLE, Laboratorio de Fluidos e Hidrulica (LFeH) Edificio 360, telfono +57 (2) 3212100 Ext. 2453 1

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERA

LABORATORIO DE FLUIDOS E HIDRULICA

Prctica 11

TCNICAS DE AFOROS LQUIDOS

1. Objetivos

1.1 Objetivo general

Comparar cualitativa y cuantitativamente cinco

de los mtodos de aforos lquidos existentes.

1.2 Objetivos especficos

Conocer las metodologas ms usadas para aforos lquidos.

Establecer las diferencias de estimacin entre los mtodos utilizados.

Calcular los caudales y compararlos con un instrumento patrn que mide el caudal de la

instalacin experimental empleada.

2. Conceptos fundamentales

Hidrometra

La hidrometra es la parte de la hidrologa que se

encarga de tomar y proveer datos relacionados

con la distribucin espacial y temporal del agua

sobre la tierra. Esta informacin es un insumo

fundamental para proyectos de planeamiento y

manejo de los recursos hdricos, para los cuales es

de vital importancia conocer las variaciones

hidrulicas (caudales, niveles, velocidades, etc.)

de cada una de las corrientes y cuerpos de agua.

La calidad de los anlisis hidrolgicos depende de

la calidad de los datos obtenidos por medio de los

procedimientos de medicin llevados a cabo en

las estaciones hidromtricas y de su

procesamiento inicial. Por lo tanto, es necesario

normalizar estos procedimientos con el propsito

de minimizar los errores que puedan presentarse.

Mtodos de aforos lquidos

Los tipos de procedimientos de aforos lquidos

ms comunes son: (i) Aforo por molinete (por

vadeo o suspensin), (ii) Aforo con flotadores,

(iii) Aforo con estructuras de control de flujo

(Vertederos, canaletas, orificios, etc). Cada uno

de los anteriores mtodos de aforo tiene su forma

particular de calcular el caudal a partir de

formulaciones hidrulicas.

Aforo por molinete

El molinete es un instrumento que tiene una

hlice o rueda de cazoletas, que gira al

introducirla en una corriente de agua (Figura 1).

El de tipo de taza cnica gira sobre un eje vertical

y el de tipo hlice gira sobre un eje horizontal. En

ambos casos la velocidad de rotacin es

proporcional a la velocidad de la corriente; se

cuenta el nmero de revoluciones en un tiempo

dado. La ecuacin general para un molinete es:

= +

Donde:

n = Nmero de revoluciones por segundo

k y c = Constantes caractersticas del molinete

Para el molinete disponible se tienen las

siguientes ecuaciones de calibracin:

n < 0.45 = 0.2311 + 0.0136 0.45 < n < 3.81 = 0.2533 + 0.0036

n > 3.81 = 0.2595 + 0.0200

Para 0.034 < V < 6.000 [m/s]


Para estimar el caudal entonces es:

Q = V A

Donde:

A = rea transversal en el punto de medicin

[m2].

Figura 1. Molinete

Aforo con flotadores

Se debe establecer una seccin de flujo y lanzar el

flotador a una distancia tal que alcance una

velocidad constante. El valor estimado de la

velocidad se afecta por un coeficiente que va de

0.84 -1. Cuya expresin es:

Q = A x/t

Donde:

A = rea transversal en el punto de medicin.

x = Distancia hasta la seccin de medicin

t = Tiempo transcurrido para la distancia x

Aforo con estructuras de control de flujo

Es propicio para corrientes pequeas de

considerable demanda hdrica. Generalmente, los

instrumentos ms usados son las canaletas

Parshall, RBC, aforadores Utah, los vertederos de

cresta delgada y ancha. Estos aforadores tienen en

comn que la curva de calibracin obedece a la

forma:

Q = K H n

Donde H es la carga en una seccin de control

antes de las condiciones de flujo impuestas por el

aforador, n el coef 1.522- 1.6 y K que depende de

las condiciones de contraccin del flujo.

Para el aforo con los vertederos se deben tener en

cuenta las recomendaciones: (i) la cresta o umbral

de los vertederos debe ser horizontal y de espesor

constante. Para el caso de canaletas se debe

garantizar la horizontalidad del umbral, para lo

cual se utiliza un nivel de mano, (ii) la distancia

desde el fondo del canal hasta la cresta (para el

caso de vertederos) debe tener un valor mnimo

de 3 veces la carga o altura de agua sobre el

vertedero, (iii) el valor de la carga a medir no

debe ser menor de 6 cm para el caso de

vertederos, (iv) debe existir cada libre del chorro

de agua que sale de las estructuras y, (v) para el

caso de vertederos se debe garantizar la

verticalidad de la pared.

En los vertederos de cresta delgada esa seccin se

recomienda se ubique a una distancia L > 6H y la

altura del vertedero sea > 3H y H no debe ser

inferior a 6 para no perder precisin en la medida

(Figura 3a).

(a) (b) (c) (d)

Figura 2. Tipos de vertedero rectangular (a) sin

contraccin, (b) con contraccin, (c) Triangular y

(d) Trapezoidal

(a)


(b)

Figura 3. (a) Medidas caractersticas y (b) Flujo de

aproximacin al vertedero

La expresin para los vertederos rectangulares de

pared delgada es de la forma:

= 2

3 2(

10)3/2

Para n = 0 se tiene que:

= (0.63)2

3 2 3/2

Donde:

L = Ancho del espejo de aguas del vertedero [m].

n = Nmero de contracciones.

H = Altura sobre la cresta del vertedero [m].

Cd = Coeficiente de descarga que depende del

diseo de la cresta, viscosidad, tensin superficial

y contraccin lateral del flujo.

g = Gravedad, 9,81 [m/s2].

Aforo con orificio

Se puede emplear para flujo en conductos

cerrados y descargas libres de caudal. El aforo

por orificio viene dado por la siguiente expresin

= 2 Donde:

Ao = rea del orificio (a*b) [m2]

H = Carga del tanque [m]

Cd = Coeficiente de descarga

g = Gravedad, 9.81 [m/s2]

Figura 4 Flujo debajo de una compuerta

rectangular

Para la prctica el orificio ser una compuerta

rectangular cuyo coeficiente de descarga se ha

estimado experimentalmente igual a 0,61.

Aforo con tubo de Pitot esttico

Es uno de los instrumentos anlogos ms

empleados para la medicin de la velocidad. Es

utilizado principalmente para la medicin de las

velocidades en flujos compresibles. El tubo de

Pitot esttico combina las mediciones de presin

hidrosttica y total (Figura 5). Si se mide

indirectamente cada una de ellas empleando un

manmetro diferencial, se obtiene la carga de

presin dinmica de la cual se puede obtener la

velocidad con la expresin:

12 rmDHgV Donde:

g = Gravedad

H = Deflexin manomtrica Drm = Densidad relativa del mercurio [13.6]

Y el caudal mediante la relacin:

= Donde:

Ao = rea del orificio (a*b) [m2]

V = Velocidad media estimada con el tubo de

Pitot esttico [m/s]

Cc = Coeficiente de contraccin [0.611]

g = Gravedad, 9.81 [m/s2]

a h


Figura 5. Esquema de tubo de Prandtl

3. Descripcin de los equipos

El equipo disponible en el Laboratorio de Fluidos

e Hidrulica es un canal rectangular sin pendiente

(de 0,35m de ancho) (Figura 6), el cual esta

instrumentado con un caudalmetro ultrasnico

para medir los caudales circulantes generados por

la instalacin experimental.

Figura 6. Canal experimental

Para la prctica estn disponibles los siguientes

elementos:

Cronmetro y Flotadores

Medidor de punta

Manmetro diferencial

Tubo de Prandtl

Vertedero de cresta delgada

Caudalmetro ultrasnico

4. Procedimiento

La manipulacin del equipo ser realizada por el

personal del laboratorio. Los pasos para la toma

datos bsicos son:

a. Introducir la hlice del molinete a 0.5h (h = tirante del flujo) para garantizar la estimacin

de la velocidad media por medio de las

revoluciones medidas para un intervalo de

tiempo de 30 s. Registrar los datos obtenidos

en la Tabla 1.

b. Establecimiento de la distancia y toma de los tiempos de recorrido del flotador (Tabla 2).

c. Medicin del tirante de flujo con medidor de punta para establecer el rea transversal en los

mtodos del flotador y molinete.

d. Lecturas de la carga del vertedero mediante el medidor de punta y registrarlas en la Tabla 3.

e. Registrar la carga en el tanque de alimentacin (H) en la Tabla 4.

f. Lectura de la deflexin manomtrica (H) del manmetro diferencial y registrarlas en la

Tabla 5.

g. Realizar las repeticiones respectivas para cada mtodo de aforo.

h. Para cada medicin de cada mtodo tomar la lectura del caudalmetro ultrasnico.

5. Informe de laboratorio

El informe debe contener los siguientes puntos:

Nombre

Introduccin

Objetivos

Descripcin de la prctica

Datos y clculos:

- Calcule los caudales para los diferentes valores registrados en las Tablas 1 a 5 e

cada mtodo aplicado en la prctica

- Compare los resultados con los valores patrn (caudalmetro ultrasnico)

estimando el error relativo de las

mediciones. Qu motivos pueden

justificar la diferencia?

Anlisis de resultados

Conclusiones

Bibliografa

6. Referencias

WHITE, Frank. Fundamentals of Fluid

Mechanics. John Wiley & Sons, Inc., cuarta

edicin, 2002.


PMC, Manual de procedimientos hidromtricos

Solange Dussaubat / Ximena Vargas,

Modernizacin e Integracin Transversal de la

Enseanza de Pregrado en Ciencias de la Tierra,

2005

ANEXO

Tabla 1. Aforo con molinete

ENSAYO

Tirante, h[m] Revoluciones por segundo,

n [rev/s]

Velocidad

molinete

[m/s]

rea

[m2]

Caudal

molinete

[m3/s]

Caudal

patrn

[m3/s] h1 h2 h3 hPromedio n1 n2 n3 npromedio

1

2

3

Tabla 2. Aforo con flotador

ENSAYO

Tirante, h [m] Velocidad

[m/s]

Distancia [m] rea

[m2]

Caudal

flotador

[m3/s]

Caudal

patrn

[m3/s]

h1 h2 h3 hPromedio

1

2

3

Tabla 3. Aforo con vertedero

ENSAYO

Carga del vertedero, H [m] Caudal vertedero

[m3/s]

Caudal patrn

[m3/s] H1 H2 H3 HPromedio

1

2

3

Tabla 4. Aforo con orificio

ENSAYO

Carga del tanque, H [m] Caudal orificio

[m3/s]

Caudal patrn


1

2

3


Tabla 5. Aforo con Tubo de Pitot esttico

ENSAYO

Deflexin manomtrica, H [m] Caudal tubo de

Pitot esttico

[m3/s]

Caudal patrn


1

2

3

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