hidraulica de c y t parshall

Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez

1. INTRODUCCIÓN

En la distribución del agua, la Hidrometría tiene como objetivo principal, medir y

registrar los caudales de agua que son captados, derivados y distribuidos a los

usuarios, como ejemplo examinaremos a fondo el “Medidor Parshall”.

En este trabajo se presentaran las orientaciones técnicas, que se deben conocer

del Medidor Parshall o aforador, de tal manera que podamos medir los caudales de

agua captados y entregados, que se obtienen por medio de estructuras hidráulicas y

equipos hidrométricos debidamente diseñados.

La precisión de la medición del agua, garantiza una mejor eficiencia en la

distribución y como consecuencia mejora la recaudación de la tarifa.

Para un mejor entendimiento del tema, se exponen a continuación algunos

conceptos y términos utilizados a lo alargo del documento, como son los conceptos

de la gestión de riego y aquellos relacionados a la medición de caudales.

Hidráulica de canales y tuberías


2. OBJETIVOS

Aprender los métodos más usuales de medida de caudal en canales abiertos, así

como ciertos fenómenos como el resalto hidráulico.

Determinar el funcionamiento adecuado para un Medidor Parshall.

Determinar el caudal que pasa por la canaleta con el Medidor de Parshall.



3. MARCO TEÓRICO

3.1. GENERALIDADES

En la explotación de un sistema de riego es importante poder medir con

exactitud el caudal en las derivaciones y en la toma del canal de modo que el agua

disponible pueda suministrarse a las zonas que verdaderamente la necesitan y evitar

su distribución incorrecta. La mayoría de las obras de medición o de regulación de

caudales constan de un tramo convergente, en donde el agua, que llega en régimen

subcritico, se acelera y conduce hacia una contracción o garganta, en la que alcanza

una velocidad supercrítica, a partir de la cual esta velocidad se va reduciendo

gradualmente, hasta llegar, de nuevo, a un régimen subcritico, en el que se recupera

la energía potencial.

Aguas arriba de la obra existe un canal de aproximación, que es necesario

para que se produzca un régimen laminar, de modo que la superficie del agua se

mantenga estable y poder medir su altura con exactitud. Aguas abajo del medidor

hay un canal de cola, que es de capital importancia para el diseño de la obra, debido a

que la gama de niveles de agua en el mismo, que resultan de variar los caudales, será

la que determine la altura del resalto en el estrangulamiento, con respecto a la cota de

la solera de éste canal de cola. Algunas obras de medición comúnmente aceptadas

eliminan o prescinden de uno o más de estos elementos y, en consecuencia, la

función de la parte suprimida no se realiza, quedando reducidas por ello sus

posibilidades de aplicación.

Esta predicción teórica es importante no só1o para diseñar obras que

cumplen ciertas condiciones específicas sino también para determinar la

aceptabilidad de los errores de construcción y las modificaciones en su ejecución.

Las gargantas muy cortas (o inexistentes) producen flujos tridimensionales, para los

que no se conoce ninguna teoría, y esto limita la posibilidad de predecir su

comportamiento hidráulico.

Para un mejor entendimiento del tema, se exponen a continuación algunos

conceptos y términos utilizados a lo alargo del documento.



3.2. CONCEPTOS Y DEFINICIONES

La Hidrometría

Se encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de

agua que circulan en una sección transversal de un río, canal o tubería en la

unidad de tiempo.

Para los fines del presente manual, la hidrometría tiene como

propósitos medir el agua, planear, ejecutar y procesar la información que se

registra en el sistema de riego; a través del cual se puede:

a) Conocer el volumen de agua disponible en la fuente (hidrometría a nivel de

fuente natural)

b) Conocer el grado de eficiencia de la distribución (hidrometría de

operación)

Sistema Hidrométrico.

Es el conjunto de actividades y procedimientos que permiten conocer los

caudales de agua que circulan en los cauces de los ríos y canales de un sistema de

riego, con el fin de registrar, procesar y programar la distribución del agua.


GRAFICO N° 1: Sistema hidrométrico tiene como soporte físico la red hidrométrica.


Red Hidrométrica.

Es el conjunto de puntos de control ubicados estratégicamente en el

sistema de riego.

Puntos de Control.

Son los lugares donde se registran los caudales de agua que circulan

por una sección hidráulica que pueden ser: estaciones hidrométricas,

estructuras hidráulicas, compuertas, caídas, vertederos, medidores Parshall,

RBC, ASC (Aforador Sin Cuello), miras, etc.


GRAFICO N° 2: Canaleta Parshall.


CANAL 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.

La canaleta Parshall está constituida por tres partes fundamentales que

son: la entrada, la garganta y la salida.

La entrada está formada por dos paredes verticales simétricas y

convergentes, el fondo es inclinado con pendiente ascendente (4:1).

La garganta está formada por dos paredes verticales paralelas, el fondo es

inclinado con una pendiente descendente (2,67:1). La distancia de la sección

de la garganta determina el tamaño del medidor y se designa por w.

La salida está formada por dos paredes verticales divergentes y el fondo es

ligeramente inclinado con una pendiente ascendente de (17,9:1) En la

canaleta Parshall se pueden presentar dos tipos de flujo. Un flujo a descarga

libre para lo cual es solo necesario medir la carga Ha para determinar el

caudal, un flujo en que se presenta la sumersión o ahogamiento para el cual se

toman las cargas Ha y Hb.

La canaleta Parshall es un elemento primario de flujo con una amplia

gama de aplicaciones para medir el flujo en canales abiertos. Puede ser usado

para medir el flujo en ríos, canales de irrigación y de desagüe, salidas de

alcantarillas, aguas residuales, vertidos de fábricas, etc. La medida del flujo



está basada en la asunción de que el flujo critico se produce estrechando la

anchura de la garganta de la canaleta y levantando la base.

El aforador Parshall es una estructura hidráulica que permite medirla

cantidad de agua que pasa por una sección de un canal. Consta de cuatro

partes principales: Transición de entrada, Sección convergente, Garganta y

Sección divergente.

En la transición de entrada, el piso se eleva sobre el fondo original del

canal, con una pendiente suave y las paredes se van cerrando, va sea en línea

recta o circular. En la sección convergente, el fondo es horizontal y el ancho

va disminuyendo. En la garganta el pico vuelve a bajar para terminar con otra

pendiente ascendente en la sección divergente.

En cualquier parte del aforador, desde el inicio de la transición de

entrada hasta la salida, el aforador tiene una sección rectangular. Junto a la

estructura del aforador se tienen dos pozos laterales o tanques con la misma

profundidad, o mayor, que la parte más baja del aforador. El agua que escurre

por el aforador pasa a estos tanques por medio de unas perforaciones

colocadas en la pared de la sección convergente y en la garganta.


GRAFICO N° 3: Medidor Parshall


a) VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Sus ventajas

o Baja inversión

o Más resistente que cualquier metal

o Dimensiones estables

o Es una canaleta prefabricada, se tiene seguridad en sus dimensiones,

moldeada en una sola pieza.

o Construcción resistente

o Resistente a la corrosión

o Su fabricación en fibra de vidrio, permite soportar el ataque químico

de líquidos corrosivos

o Fácil instalación

o Superficie lisa

o Durable

o Más exacta que el concreto

o Opcionalmente se suministra una regleta, la cual se localiza dentro del

canal para una indicación rápida del flujo

o Selección del tamaño de garganta apropiado

Sus principales desventajas son:

o Su costo es mayor en comparación con los vertederos.

o Requieren de fundaciones sólidas e impermeables

o Requieren de mucha precisión en su fabricación para un desempeño

satisfactorio.



b) CLASIFICACION

Los aforadores Parshall se construyen de muy diversos tamaños y se

clasifican según sea la anchura en la sección de garganta.

El Parshall más pequeño tiene una anchura de garganta de 1 pulgada

(25,4mm) y el más grande de 50 pies (15.250 mm.).En la ecuación:

Donde:

K= Coeficiente que depende del ancho de la garganta

U= Coeficiente que varia entre1.522 y 1.60

Ha= Altura piezométrica en la sección de control A


Q= K Ha u

TABLA N° 1: Clasificación


c) REQUISITOS GENERALES

Para asegurar mayor precisión posible durante la utilización de un

canal aforador Parshall, es necesario tener en cuenta las siguientes

consideraciones. La entrada del canal debe estar limpia, lisa y en ángulos

rectos. Debe presentar antes del canal aforador una sección recta igual por lo

menos a 10 veces el ancho del canal. Para la salida el único requisito consiste

en que el agua debe ser capaz de circular libremente a partir del canal.


GRAFICO N° 4: Canaleta Parshall


d) TIPOS DE MEDIDORES

1. Descarga Libre

En este tipo de medidor la descarga es libre como en los vertederos, y

la medición siempre debe efectuarse en la sección a 2/3 del inicio del

estrangulamiento.


GRAFICO N° 5: 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.


GRAFICO N° 6: Canaleta Parshall Ahogada


e) 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.


GRAFICO N° 7: Dimensionamiento Canaleta Parshall


Ecuación de dimensionamiento:

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 siguiente tabla:

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


TABLA N° 2: Valores de K y M


Corrección para Q

Las siguientes figuras dan las correcciones, Qe para los aforadores de 1 plg

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:

Como ejemplo, supongamos que tenemos un aforador con una garganta de2

pies; Ha=50cm y Hb = 40 cm. ¿Cuál sería el caudal bajo estas condiciones?

Que es mayor que el límite de 0.7 para este tamaño de aforador, y hay que

hacer la corrección para sumergencia:

De la figura Qe, para 80% de sumergencia y Ha = 0.5 es 0.024.Multiplicado

este por el factor de 1.8 para aforador de 2 pies nos da:


TABLA N° 3: Factores de

corrección por sumergencia



GRAFICO N° 8: Dimensiones del Medidor Parshall

TABLA N° 4: Dimensiones estandarizadas del Medidor Parshall


Por relaciones geométricas:

D1= 2/3 (D-W) + W

Siendo: D, N y W dimensiones de la canaleta dada en la Tabla anterior, Se puede considerar

que toda la energía disipada en la canaleta Parshall se da entre la salida de la garganta

(sección 2) y la sección de salita de la canaleta(sección 3), y que en este volumen la mezcla

es prácticamente completa. Bajo condiciones de flujo de descarga libre, la pérdida de carga

puede ser calculada por:

hf = Ho + K – h3


TABLA N° 5: Ejemplo de comprobación de las condiciones de mezcla de una canaleta Parshall


f) MEDICIÓN EN EL CAMPO

Las lecturas de carga en el vertedero, en el Parshall o en el canal, deben

realizarse preferentemente utilizando un pozo de tranquilización conforme se

muestra en la siguiente figura. Para una buena precisión es fundamental quela

nivelación del cero de la escala fija en el pozo se realice de forma tal que coincida

exactamente con la altura de la superficie del agua que caracteriza una carga nula

(H=0).

La prueba en campo consiste en medir diez caudales por medio del tubo pitot,

para cada uno de los cuales de mide una carga H en el medidor considerado.

Evidentemente, para que se pueda utilizar el tubo pitot en una prueba de este tipo es

necesario que, en serie con el medidor (canal,parshall o vertedero), exista una tubería

bajo presión en la cual se pueda instalar el pitot. En caso que no exista esta tubería,

también se pueden medir caudales utilizando molinetes, procesos químicos,

radioactivos, etc. Los diez caudales deben estar distribuidos uniformemente. La

variación de caudales se consigue operando alguna válvula existente en el circuito


GRAFICO N° 9: Medidor Parshall en el Campo

GRAFICO N° 10: Medidor Parshall Vista 3D


g) ELABORACION DE LOS CANALES DE AFORO PARSHALL

Para fabricarlos canales de

aforo Parshall se han utilizado muy

diversos materiales. Se pueden

prefabricar a partir de láminas de

metal o madera o se pueden

construir sobre el terreno con

ladrillo y argamasa utilizando un

armazón de metal prefabricado para

garantizar mediciones exactas.

Si hacen falta varios aforadores, se pueden moldear en hormigón empleando

tableros reutilizables. Se pueden tomar medidas eventuales de la profundidad del

caudal a partir de un puesto de aforo establecido en el muro del canal o, si se

requieren registros constantes, es posible instalaren una poza de amortiguación

colocada en una situación específica un registrador de flotante.


GRAFICO N° 11: Medidor Parshall Vista 3D


h) CARACTERISTICAS DE UN MODELO “MEDIDOR PARSHALL”

El canal de entrada debe ser recto y uniforme.

Punto Caudal: Punto de Medición del Caudal.

Medición de la garganta de una canaleta Parshall.

La profundidad de agua debe medirse en el punto "2/3A".

La canaleta debe estar nivelada, y sus paredes laterales deben ser verticales y lisa.

Por lo general, el aforador debe ser instalado cerca al punto de diversión o cerca de la

compuerta de control. Debe estar en un tramo recto del canal a una distancia de la

compuerta donde no hay turbulencia. Después es necesario escoger el ancho de la

garganta y establecer la elevación indicada para la cresta.


GRAFICO N° 12: Planta de un Medidor Parshall

GRAFICO N° 13: Vista lateral de un Medidor Parshall

GRAFICO N° 14: Vista 3D de un Medidor Parshall




3.3. CONCLUSIONES

El aforador Parshall es un aparato que se basa en la pérdida de altura del nivel

del agua producida por el paso forzado de una corriente a través de un

estrechamiento inclinado. La entrada, de paredes convergentes, y la salida, de

paredes divergentes, están separadas por una garganta de paredes paralelas y

con el piso inclinado. Se usan aforadores de tamaños escalonados para medir

diferentes caudales de agua. Los de mayor tamaño son fijos y construidos con

obra de albañilería, mientras que los más pequeños son movibles y se

construyen de chapa metálica.

La medición del caudal se obtiene mediante tablas y ábacos específicos para

cada tipo de aforador. Con este procedimiento se obtienen mediciones muy

precisas, aún cuando el aforador trabaje con inmersión casi completa.

Las principales ventajas de un aforador de Parshall 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.

Las desventajas que posee este tipo de medidor son: que son más caros

debido a la fabricación requerida y La fabricación e instalación debe

realizarse con precisión para que funcionen como se debe.



3.4. BIBLIOGRAFPÍA

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page_10.htm/skinless_view

www.cepis.ops-oms.org/bvsacd/scan2/011643/011643-05.pdf

www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s06.htm

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www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000117/contenido/cap5/lec5_5.htm


hidraulica de c y t parshall

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