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AFORO DE CORRIENTES, METODO AREA VELOCIDAD OBJETIVOS.Los objetivos de la práctica son: •
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Ejerc Ejercer er al estu estudi dian ante te en la util utiliz izac ació ión n del del moli moline nete te hidráulico como medio de medición de velocidades. Estudiar la distribución de velocidades que se producen en la sección transversal de un canal. Calcular el gasto que circula por un canal utilizando el método, área-velocidad.
INTRODUCCIÓN.La medición de los gastos con una adecuada precisión tiene una gran importancia desde el punto de vista técnico y económico. La necesidad de conocer el gasto que circula por una conducción libre ha ocasionado la creación y desarrollo de una buena cantidad de métodos para ese fin. Algunos de ellos requieren de obras especiales, otros se basan basan en el uso de aparatos aparatos con alta tecnología tecnología y también también se cuenta con un grupo que son muy simples y sencillos. Una clasificación de los métodos de aforo es aquella que los divide en : métodos directos y métodos indirectos. •
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Los Los méto método doss indi indire rect ctos os o de área área velo veloci cida dad, d, son son aquellos aquellos que se basan en la medición de la distribución distribución de la veloc elociidad dad en la secc secció ión n tran transv sver ersa sal, l, para para posterio riormen rmentte de acuerdo rdo con el pri princi ncipio de continuidad, calcular el gasto que a circulado por la secc secciión en estu estudi dio. o. Para ara la dete determ rmiinaci nación ón de la velocidad se puede utilizar: molinetes, flotadores, tubos de Pitot, productos químicos, radiactivos, etc. Los métodos directos son aquellos que se utilizan un instrumento u obra calibrada, para con el auxilio de ella determinar de forma inmediata el gasto que circula. Las .
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variantes de ese método son : el volumétrico, el gravimétrico, las canaletas calibradas , los vertedores, las obras hidrométricas , las obras reguladoras, la sección de control, etc. En la presente práctica se realiza, el estudio del método, área de velocidad, con la utilización de un micromolinete como instrumento para la medición de la velocidad.
MOLINETE HIDRÁULICO: En el laboratorio se utilizará para la medición de las velocidades el molinete hidráulico. El elemento fundamental de este equipo de precisión es una rueda con aspas o cazoletas que son movidas por la corriente, y cuya velocidad de rotación depende de la velocidad del agua. La velocidad de rotación se determina por un mecanismo que a cada cierto número de revoluciones abre y cierra un circuito eléctrico conectado a un señalizador, que puede emitir una señal eléctrica o lumínica, o accionar un contador mecánico o digital. De acuerdo con el número de señales emitidas en un periodo de tiempo, se puede conocer la velocidad de rotación promedio del molinete. Entre la velocidad de la corriente V (m/s) y la cantidad de vueltas en un segundo, n, existe una dependencia rectilínea.
V=Vo+Kn Donde: Vo es la velocidad antes del inicio de la rotación de la hélice (velocidad inicial). K es el coeficiente de la hélice. Un molinete debe cumplir las siguientes características: • • • •
Tener pequeño tamaño. Producir un mínimo de corrientes parásitas. Tener poco rozamiento de sus partes mecánicas. Ser poco sensible al efecto de las corrientes verticales.
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Funcionar solamente por efecto de la componente de la velocidad perpendicular a él (en la dirección de la corriente).
Para calibrar estos equipos se requiere de instalaciones especiales o la comparación con otro molinete que se encuentre comprobado su adecuado funcionamiento. Las principales desventajas del uso de los molinetes son : •
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la imposibilidad de comprobar su exactitud en condiciones de trabajo. La dificultad de regularlos sin calibración.
Características del micromolinete hadráulico del laboratorio: En el laboratorio se dispone de un micromolinete de alta precisión del modelo 2100 de la firma norteamericana Swoffer Instrument, Inc. Un esquema del equipo se puede apreciar en la figura 7.1. El equipo permite medir corrientes líquidas desde 0,1 a 25 pies por segundo, permitiendo leer directamente en pies o metros por segundo. La velocidad aparece en una pantalla de cristal líquido. La pantalla tiene tres intervalos de tiempo para promediar las velocidades, los que se pueden seleccionar por medio de un botón giratorio. Los intervalos de tiempo van desde un mínimo de 5 segundo hasta los 90 segundos. El indicador del micromolinete recibe la energía para su funcionamiento de una batería de 9 volts, la cual abastece también a un foto-diodo y un foto-transistor en el sensor. La propela de 2 pulgas tiene un rotor en el cual se encuentran instalados 2 elementos de fibra óptica. La rotación de estos elementos produce la salida de una luz infrarroja desde el foto-diodo al fototransistor, creando unas pulsaciones que son proporcionales a las revoluciones por minuto con que gira la propela. Estas pulsaciones son contadas y almacenadas, para posteriormente ser comparadas por un .
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oscilador de cristal de cuarzo y procesadas para su aparición en la pantalla del equipo. Las instrucciones para la operación del micromolinete modelo 2100 son las siguientes: 1. Quitar la tapa plástica que protege al sensor e instalar la propela. 2. Conectar el sensor a la cja que contiene el indicador, por medio del conector que existe para tal efecto. 3. Colocar el botón giratorio del indicador hasta la posición que dice CALIBRATE. En la pantalla se debe leer el número 186 (si se ha seleccionado pies por segundo) ó 610 ( si se ha seleccionado metros por segundo). Para cambiar a las unidades deseadas se utiliza el interruptor colocado dentro de la caja de la batería. 4. Se coloca el botón giratorio del indicador a la posición COUNT. 5. Se hace girar la propela y se confirma que el indicador incremente las lecturas. 6. Se gira el botón giratorio al mínimo intervalo de tiempo.(Primera posición desde el lado izquierdo, o sea, la posición OFF). 7. Colocar el sensor en la corriente líquida con la propela dirigida hacia el flujo. 8. Presionar el botón que indica RESET, con lo que aparece el valor cero en la pantalla. 9. El próximo número que aparecerá en la pantalla será la velocidad de la corriente. Ese valor de velocidad permanecerá en la pantalla hasta que el próximo intervalo termine. El valor de la pantalla siempre será la velocidad promedio del último período. 10.El equipo deberá ser calibrado antes de cada práctica por el personal especializado del laboratorio, para lo cual existen unas instrucciones especiales.
FUNDAMENTO TEÓRICO.Para El cálculo del gasto por el método de área velocidad, es necesario conocer la distribución de las velocidades en la sección transversal que sirve de sección de aforo. La distribución de velocidades en un canal no es uniforme, debido principalmente a los siguientes factores: .
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Rugosidad del fondo y las paredes. forma del canal. Presencia de una superficie libre. Curvaturas.
En la figura 7.2 se muestra la distribución de velocidades en un canal de sección transversal rectangular . En la misma se observa que la velocidad máxima se encuentra ubicada ligeramente por debajo de la superficie lebre y sobre la vertical ubicda al centro del canal . Para canales de sección no prismática (Cauces naturales), la velocidad máxima no siempre queda localizada en la parte central, con frecuencia se encuentra sobre la vertical de mayor profundidad.
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Otro aspecto de interes en la fig. 7.2 es que la velocidad mínima se localiza en la proximidad de las paredes y que la distribución de las velocidades aumenta su curvatura a medida que se va acercando a la pared . Esto se debe al efecto de la rugosidad y de la superficie libre. En las horizontales se observa que la mayor curvatura se tiene en la proximidad de la superficie libre, debido a que a medida que los puntos están mas distantes de las paredes, el efecto de la rugosidad es menor, dando así una mayor variación en la velocidad.
Determinación de la situación de la sección de aforo: En el laboratorio se haran las determinaciones del gasto por en método area velocidad en el canal Rehbock que tiene una sección transversal muy bien definida. El método estudiado tiene una gran utilización en la madición del gasto en conducciones naturales, en las cuales las secciones transversales son muy irregulares. Para medir correctamente el gasto, es necesario elegir una sección de aforo a travez del rio, de tal modo que el plaano en que ella se encuentre sea normal a la dirección de la corriente. En general, la sección de aforo puede situarse aproximadamente, perpendicular a la dirección media de la corriente superficial.
Verticales de velocidad en la sección de aforo: Cuando se teterminan los gastos con el molinete se deben medir las velocidades de la corriente en diferentes puntos de la sección de aforo. Esto se logra midiendo las velocidades en diferentes puntos de las verticales de velocidad. Estas verticales se sitúan en determinados puntos de la sección deacuerdo con las siguientes normas Ancho del rio
Número de verticales
Hasta de 550 m.
5
50-100 m.
5-7
100-200 m.
7-9
2000-500 m.
9-13 .
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Las velocidades en las verticales se pueden determinar con:
Método detallado: se medirán las velocidades en 5 puntos: • •
En la superficie A las profundidades 0,2; 0.6; 0.8 y donde y es la profundidad de la vertical medida desde la superficie cerca del fondo.
Para determinar la velocidad superficial es necesario que las hélices de del molinete estén introducidas completamente dentro del agua, y para medir la velocidad cerca del fondo se debe colocar el molinete lo mas profundo posible.
Método reducido: por ser la profundidad del rio pequeña o por ser la variación de los niveles considerables se toma este método. La velocidad se mide en una de las siguientes variantes: • • •
Un punto de la vertical En dos puntos de la vertical ( 0.2 y 0.8 ) En tres puntos de la vertical (0.2 ; 0.6 y 0.8)
La variante a medir en dos puntos da resultados satisfactorios, es el método mas empleado.
Método de integración: en este metodo el molinete no se fija a ningun punto, sino se sumerge y se sube lentamente y de un modo uniforme a lo largo de una vertical, desde la superficie hasta el fondo y de nuevo se trae el molinete a la superficie. Cálculo del gasto por el método gráfico analítico: Se deben seguir los siguientes pasos: 1. Calcular las velocidades medidas en cada una de las verticalespor una de estas fórmulas.
Vmed. = ( Vsup. + 3 V0.2h + 3 V0.6h + 2 V0.8h + Vfondo ) / 10 Vmed. = ( V0.2h + 2 V0.6h + V0.8h ) / 4
(7.1)
(7.2) .
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Vmed. = ( V0.2h + V0.8h ) / 2 Vmed. = V0.6h
(7.3)
(7.4)
2. Después de determinar las velocidades medias en cada una de las verticales, se dibuja papel milimetrado la sección transversal de aforo. 3. Se unen los valores de la velocidad media con una curva suave , y se supone que la velocidad en los extremos. 4. Se multiplica la velocidad media en cada vertical por la profundidad del agua correspondiente a esa vertical, y se obtiene el gasto elemental en la vertical dada, en m 2 / s. Estos valores se plotean por encima de la línea del nivel del agua con lo cual se obtiene la curva de los gastos elementales fig. 7.3. 5. Se mide el arca limitada por la curva de los gastos elementales en la línea del nivel del agua, la cual representa la magnitud del gasto que pasa por la sección de aforo.
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EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS.•
FLEXO-METRO, MIRA, MICROMOLINETE HIDRÁULICO.
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.La medición del gasto por el método arca velocidad se debe realizar en el canal Rehbock , el cual tiene una sección rectangular de 0,6 mm. De ancho de plato. Al final del rismo se encuentra colocada una compuerta plana que permite elevar le nivel en el canal. El vertedor calibrado se encuentra aislado a la entrada del canal permitirá comprobar los resultados obtenidos. El gasto se puede regular con la ayuda de dos válvulas de 150 mm. Colocadas a la entrada. El suministro de agua al canal se realiza a través del del tanque de aforo, lo que garantiza la estabilidad del flujo durante las mediciones. Los pasos para la realización del experimento son los siguientes: 1. Medir el ancho de plato del canal (b). 2. Anotar la lectura inicial (li) de la mira mecánica colocada en el vertedor, asegurando que el agua se encuentre a la altura de la cresta. 3. Fijar un gasto de circulación (Q). Este gasto se regula con las válvulas colocadas a la entrada. 4. Anotamos también la lectura de la mira para la superficie del agua sobre el vertedor (lf). La carga sobre el vertedor (h) es la diferencia de (lf-li). Determinamos el caudal de circulación por el canal con la ecuación del vertedor. 5. Por último medimos la profundidad de circulación de agua por el canal (y). 6. Dividimos luego la sección del canal en 5 partes iguales y determinamos la distancia de la pared al que le corresponde situar cada vertical de medición. 7. Se calculan los valores de 0.2 y; 0.6y; 0.8y que son las profundidades a las cuales se debe introducir el molinete en cada sección. 8. Procedemos a medir las velocidades en cada uno de los 5 puntos en cada una de las verticales (superficie 0.2y; 0.6y; 0.8y; fondo).
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CONCLUSIONES.•
CON LA PRÁCTICA REALIZADA PUDIMOS LLEGAR A NUESTROS OBJETIVOS TRAZADOS.
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PUDIMOS
APRENDER
MOLINETE
A
HACER
HIDRÁULICO
CON
USO
QUE
DEL
CUENTA
NUESTRO LABORATORIO, MIDIENDO CON EL LAS VELOCIDADES
MEDIAS
DE
LA
CORRIENTE
PRODUCIDA.
•
PUDIMOS CONSTATAR QUE LAS VELOCIDADES NO SON IGUALES EN TODOS LOS PUNTOS DE LA CORRIENTE
DE
AGUA,
VARÍAN
TRANSVERSALMENTE .
•
UTILIZANDO EL MÉTODO
ÁREA VELOCIDAD
CALCULAMOS EL GASTO PRODUCIDO POR EL FLUJO.
•
LA
MEDICIÓN
ADECUADA
DE
LOS
GASTOS
PRECISIÓN
TIENE
IMPORTANCIA DESDE EL
CON UNA
UNA GRAN
PUNTO DE VISTA
TÉCNICO Y ECONÓMICO.
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