• Author / Uploaded
• Yuro Kenyo Navarro Ipanaque

Citation preview

INTRODUCCION En la actualidad existen diversos tipos de medidores de caudal para canales abiertos, uno de estos es el llamado “Canaleta deParshall 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. Por lo tanto, en el siguiente trabajo se presenta las características más importantes relacionadas con la construcción de un Aforador de Parshall.

CANALETA DE PARSHALL Llamado así por el nombre del ingeniero de regadío estadounidense que lo concibió, se describe técnicamente como un canal venturi o de onda estacionaria o de un aforador de profundidad crítica. Sus principales ventajas son que sólo existe una pequeña pérdida de carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguación y que tampoco necesita correcciones para una sumersión de hasta el 70%.En consecuencia, es adecuado para la medición del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave. También el aparato tiene unas desventajas que son:1.

1. Más caros debido a la fabricación requerida2. 2. La fabricación e instalación es crítica para que funcionen como se debe.

CLASIFICACION Los aforadores se clasifican en forma general según el ancho de la gar-ganta como sigue:

TABLA 1: CLASIFICACIÓN Los tamaños pequeños pueden ser portátiles y fabricados de hierro, lámina galvanizada, fibra de vidrio, o madera para instalaciones permanentes y para los tamaños grandes, concreto es el material más común.

TIPOS DE MEDIDORES.

1. Descarga Libre

En este tipo de medidor la descarga es libre como en los vertederos, y lamedición siempre debe efectuarse en la sección a 2/3 del inicio del estrangulamiento.

FIGURA 1. CANALETA PARSHALL LIBRE

2.

Ahogado

En este medidor, el nivel del líquido aguas abajo tiene influencia sobre el flujo en el medidor, según se puede observar en el siguiente gráfico.

FIGURA 2: CANALETA PARSHALL AHOGADO

ESTRUCTURA DEL CANAL El principio básico se ilustra en la Figura 1. El aforador está constituido por una sección de convergencia con un piso nivelado, una garganta con un piso en pendiente hacia aguas abajo y una sección de divergencia con un piso en pendiente hacia aguas arriba. Gracias a ello el caudal avanza a una velocidad crítica a través de la garganta y con una onda estacionaria en la sección de divergencia.

FIGURA3. CANAL PARSHALL Con un flujo libre el nivel del agua en la salida no es lo bastante elevado como para afectar el caudal a través de la garganta y, en consecuencia, el caudal es proporcional al nivel medido en el punto especificado en la sección de convergencia (Foto 1 y Figura 3). La relación del nivel del agua aguas abajo (Hb en la Figura 3) con el nivel aguas arriba Ha se conoce como el grado de sumersión; una ventaja del canal de aforo Parshall es que no requiere corrección alguna hasta un 70% de sumersión. Si es probable que se produzca un grado de sumersión mayor, Ha y Hb deben registrarse, como se indica en la Foto2.

FOTO 1: CANAL DE AFORO PARCHALL CON UN CAUDAL LIBRE Y UN REGISTRADOR DE NIVEL

FOTO 2: CANAL DE AFORO DE PARCHALL CON SALIDA EN PARTE SUMERGIDA Y DOS REGISTRADORES DE NIVEL

DIMENSIONES DE LOS MEDIDORES PARSHALL Se le utiliza normalmente con la doble finalidad de medir el caudal afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente trabaja con descarga libre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, originando el resalto. Fue ideada en 1927 por R.L. Parshall y patentada en varios tamaños con las dimensiones indicadas en la tabla 2.La secuencia de cálculo incluye alteraciones debida a las variaciones en la sección (0) de medición. Figura 4

FIGURA4. CANALETA PARSHALL

La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la ecuación: Los valores de (k) y (m) se pueden obtener de la tabla 2

TABLA2. VALORES DE K Y M

La velocidad en la sección de medición es calculada mediante la relación:

Corrección para Q Las siguientes figuras dan las correcciones, QE para los aforadores de 1pulgada hasta < >1 pie. La corrección de < >1 pie de garganta se aplica a los de hasta 8 pies de garganta, multiplicando el QE por los siguientes factores:

DISEÑO: La canaleta Parshall cumple un doble propósito en las plantas de tratamiento de agua, de servir de medidor de caudales y en la turbulencia que se genera a la salida de la misma, servir de punto de aplicación de coagulantes. Es uno de los aforadores críticos más conocidos, introducida en 1920 por R.L. Parshall. En la Fig. 35, se muestra esquemáticamente la canaleta, la cual consta de una contracción lateral que forma la garganta (W), y de una caída brusca en el fondo, en la

longitud correspondiente a la garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con la parte divergente. El aforo se hace con base en las alturas de agua en la sección convergente y en la garganta, leída por medio de piezómetros laterales [5].

La introducción de la caída en el piso de la canaleta produce flujo supercrítico a través de la garganta. La canaleta debe construirse de acuerdo con las dimensiones de la Tabla 24[6], para satisfacer correctamente la ecuación de cálculo. La canaleta Parshall es auto limpiante, tiene una pérdida de energía baja y opera con mucha exactitud en caudales bastante variables, requiriendo sólo una lectura de lámina de agua (Ha), en flujo libre.

A fin de que pueda utilizarse la canaleta con el propósito de mezclador rápido, debe cumplir los siguientes requisitos:

- Que no trabaje ahogada, o sea que la relación Hb/Ha no exceda los siguientes valores:

Tabla 22. Requerimientos de sumergencia

Ancho de garganta

Máxima sumergencia (Hb/Ha)

7.5 (3”)

a 22.9

(9”)

0.6

30.5 (1’)

a 244

(8’)

0.7

305 (10’)

a 1525

(50’)

0.8

Fuente: (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000)

- Que la relación Ha/W este entre 0,4 y 0,8. La razón para esta condición es la de que la turbulencia del resalto no penetra en profundidad dentro de la masa de agua, dejando una capa, bajo el resalto, en que el flujo se transporta con un mínimo de agitación, como se ha podido constatar en experimentos de laboratorio. Al bajar Ha el espesor de esta capa se minimiza. El concepto de gradiente de velocidad de Camp no tiene aplicación en este caso.

- Que él número de Froude esté 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, lo que dificulta la aplicación de coagulantes.

Fig. 35. Dimensiones de la canaleta Parshall

El análisis hidráulico teórico de la canaleta Parshall para saber si cumple con estas condiciones, esta solo parcialmente resuelto. Las ecuaciones que definen el resalto hidráulico en canales rectangulares, no se puede aplicar a este caso sin un cierto margen de error debido a que el efecto de la constricción de la garganta se suma al de los cambios de pendiente. Para el diseño de una canaleta Parshall como mezclador, se utiliza el siguiente procedimiento. Acevedo Netto, partir de estudios empíricos determinaron diferentes límites de caudal en función del ancho de garganta de la canaleta, La Tabla 23, nos permite determinar el ancho de la garganta dentro de los rangos de caudales máximos y mínimos, esta determinación nos sirve cuando utilicemos la canaleta Parshall como aforador ya que como mezclador estará sujeta a la comprobación de la relación Ha /W

Tabla 23. Determinación del ancho W de la Parshall en función del caudal

Ancho W

Límites de caudal (l/s) Q Mínimo

1’’

0.28

Q Máximo 5.67

2’’

0.57

14.15

3’’

0.85

28.31

6’’

1.42

110.44

9’’

2.58

252.00

12’’

3.11

455.90

18’’

4.24

696.50

24’’

11.90

937.30

36’’

17.27

1427.20

48’’

36.81

1922.70

60’’

45.31

2424.00

72’’

73.62

2931.00

Fuente: (Romero Rojas, 2008)

La Tabla 24, nos presenta las dimensiones típicas de medidores Parshall, a partir del ancho de garganta (W), calculado en la Tabla 23.

Tabla 24. Dimensiones típicas de Medidores Parshall (cm) (tomada de Acevedo)

W

(Cm)

A

B

C

D

E

F

G

K

N

1”

2.5

36.6

35.6

9.3

16.8

22.9

7.6

20.3

1.9

2.9

3”

7.6

46.6

45.7

17.8

25.9

38.1

15.2

30.5

2.5

5.7

6”

15.2

62.1

61.0

39.4

40.3

45.7

30.5

61.0

7.6

11.4

9”

22.9

88.0

86.4

38.0

57.5

61.0

61.0

45.7

7.6

22.9

1’

30.5

137.2 134.4 61.0

84.5

91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

11/2’ 45.7

144.9 142.0 76.2

102.6 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

2’

61.0

152.5 149.6 91.5

120.7 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

3’

91.5

167.7 164.5 122.0 157.2 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

4’

122.0 183.0 179.5 152.2 193.8 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

5’

152.5 198.3 194.1 183.0 230.3 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

6’

183.0 213.5 209.0 213.5 266.7 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

7’

213.5 228.8 224.0 244.0 303.0 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

8’

244.0 244.0 239.2 274.5 340.0 91.5

61.0

91.5

7.6

22.9

10’

305.0 274.5 427.0 366.0 475.9 122.0 91.5

183.0 15.3

Fuente: (Azevedo & Alvarez, 1976)

Condiciones Hidráulicas de entrada

en donde K y n se determinan con la Tabla 25.

Tabla 25. Valores de K y n

Unidades Métricas W

K

n

3”

0.176

1.547

6”

0.381

1.580

9”

0.535

1.530

1’

0.690

1.522

1 ½’

1.054

1.538

2’

1.426

1.550

3’

2.182

1.566

4’

2.935

1.578

5’

3.728

1.587

6’

4.515

1.595

34.3

7’

5.306

1.601

8

6.101

1.606

Para recordar:

1 pulgada (1”) = 2.54 cm 1 pie (1´)

1.1.1.3

= 30.5 cm

Ejemplo de diseño: canaleta Parshall.

Diseñar una canaleta Parshall que sirva como aforador y para realizar la mezcla rápida, para el municipio de San Pedro, el caudal previamente calculado es de 0.15m3/s, la temperatura mínima de 16 °C. Criterios de diseño Como aforador debe trabajar con descarga libre, es decir, que cumpla los requerimientos de la Tabla 22. Como mezclador rápido debe cumplir con la anterior condición y adicionalmente el gradiente de velocidad debe estar comprendido entre 1000 y 2000 s-1.

Fig. 36. Esquema de la Canaleta Parshall

METODOLOGÍA DE CALCULO DE ENERGÍA: La metodología seguida se basa en el cálculo de la energía en las secciones mostradas en la Fig. 36 y en la suposición de que las pérdidas por fricción dentro de la canaleta son despreciables. PASO 1: Determinación del ancho de garganta

Para un Q = 0.15m3/s (150 L/s) se tiene un ancho de garganta W = 9’’ = 0.229 m < 0.3 m, OK CUMPLE. (Ver Tabla 23).

Paso 2. Dimensiones De acuerdo a la Tabla 24 y Tabla 25, tenemos los siguientes valores:

Exponente: n

1.53

-

Coeficiente: k

0.54

-

Long. paredes sección convergente

A

0.880

m

Longitud sección convergente

B

0.864

m

Ancho de la salida

C

0.380

m

Ancho entrada sección convergente

D

0.575

m

Profundidad total

E

0.610

m

Longitud de la garganta

F

0.610

m

Longitud de la sección divergente

G'

0.457

m

Long. Paredes sección divergente

K'

0.076

m

Dif. de elevac entre salida y cresta

N

0.229

m