INTRODUCCION En la actualidad existen diversos tipos de medidores de caudal para canales abiertos, uno de estos es el llamado “Canal de Parshall 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 cuales 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 características más importantes relacionadas con construcción de un Aforador de Parshall.
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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. También el aparato tiene unas desventajas que son: 1. Más caros debido a la fabricación requerida 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 garganta como sigue: Tamaño Muy pequeño Pequeño Grande
Ancho de la garganta 1, 2, y 3 pulgadas 6 pulgadas a 8 pies 10 a 50 pies
Capacidad .9 a 32 lps 1.5 lps a 3.95 m3/seg .16 a 93 m/seg
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 la medición 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.
FIGURA2. CANALETA PARSHALL AHOGADA
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.
FOTO1 - CANAL DE AFORO PARSHALL CON UN CAUDAL LIBRE Y UN REGISTRADOR DE NIVEL
FOTO 2- CANAL DE AFORO PARSHALL 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 seccion (0) de medición. Figura 4
FIGURA4. CANALETA PARSHALL E0 = V0 2 / 2g +H0 + N (2.12) La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la ecuación: H0 = K Qn (2.13) 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: V0 = Q (2.14) H0 D Corrección para Q Las siguientes figuras dan las correcciones, QE para los aforadores de 1 pulgada 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: Ancho de la garganta (ft) 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8
Factor 1 1.4 1.8 2.4 3.1 3.7 4.3 4.9 5.4
TABLA3. FACTORES DE CORRECCIÓN POR SUMERGENCIA
Como ejemplo, supongamos que tenemos un aforador con una garganta de 2 pies; Ha=50cm y Hb = 40 cm. ¿Cuál seria el caudal bajo estas condiciones?
que es mayor que el limite 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: QE= 1.8*0.024 =0.04 y el caudal correcto es: QS = Q – QE = 1.78 – 0.04 = 1.74 m3/seg.
FIGURA 5. CORRECCIÓN PARA DESCARGA SUMERGIDA AFORADOR PARSHALL DE 2”
FIGURA 6 - DIMENSIONES DE UN CANAL DE AFORO PARSHALL (DE USDA-SCS 1965)
FIGURA7. DIMENSIONES DEL MEDIDOR PARSHALL
TABLA4. DIMENSIONES ESTANDARIZADAS DE LOS MEDIDORES PARSHALL
TABLA5. EJEMPLO DE COMPROBACION DE LAS CONDICIONES DE MEZCLA DE UNA CANALETA PARSHALL Por relaciones geométricas: D1 = 2/3 (D-W) + W Siendo: D, N y W dimensiones de la canaleta dada en la Tabla 2.3 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 (Figura 2.4): hf = H0 +K – h3
MEDICION 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 figura 11.3 Para una buena precisión es fundamental que la 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.
FIGURA8. PARSHALL
ELABORACION DE LOS CANALES DE AFORO PARSHALL Para fabricar los 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 (Fotografía 29). 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 instalar en una poza de amortiguación colocada en una situación específica un registrador de flotante.
FOTO3. CONSTRUCCIÓN DE UN CANAL DE AFORO PARSHALL EN EL CAMPO EMPLEANDO UN ARMAZÓN METÁLICO REUTILIZABLE CARACTERISTICAS 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 lisas
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. Como un ejemplo, se considera un caudal de 0-57 m3 /seg. En un canal con tirante de 75 cm. El limite de sumergencia es 0.70 para que se pueda usar una sola medida, Ha, para determinar el caudal. Para economía, puede escoger la garganta más estrecha, pero también debe considerar el efecto sobre el flujo, el aumento en profundidad aguas arriba y el costo de levantar mas los bordes del canal. Para el ejemplo, considerar dos alternativas, uno de 3 pies y uno de 4 pies de garganta. Según las formulas, el Ha requerido para una garganta de 4 pies es 0.353 m y para la garganta de 3 pies, es < 0.426 m" >0.426 m. Para el aforador de 4' el Hb para 70% sumergencia es 0.7 X 0.353 = 0.247 m y el tirante aguas abajo de aforador será igual al tirante antes de instalar el aforador o sea < 75 cm" >75 cm. En la figura este es la dimensión D. Restando el valor de Hb, 0.247 de 0.75 se obtiene el valor de X = 0.503. Este es la elevación de la cresta arriba del fondo del canal. Bajo estas condiciones la pérdida de carga es 0.12 m (ver figura de las perdidas de carga). Entonces el tirante aguas arriba del Parshall será 0.75 +0.12 0.87m. Para el aforador de 3', el Hb para 70% sumergencia es 0.70 X 0.424 = 0.297. El valor de X, o sea la elevación de la cresta arriba del fondo seria 0.453 mm y la pérdida de carga es 0.15 m. El tirante aguas arriba seria = 0.90 m, o sea la superficie del agua en el canal sería 15 cm más alto que el original, comparado con 12 cm. más alto en el caso de instalar un aforador de 4'. Desde el punto de vista económico, seria preferido escoger el de 3' de ancho, una vez que el borde libre del canal lo permite. El ancho del canal
también puede influir la decisión. Cono regla general, el ancho de la garganta varia de 1/3 a 1-2 del ancho del canal.
FIGURA9. SECCIÓN DE UN AFORADOR PARSHALL Y LA DETERMINACIÓN DE LA ELEVACIÓN DE LA CRESTA
FIGURA10.PÉRDIDA DE CARGA A TRAVÉS DE LOS AFORADORES PARSHALL
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.
BIBLIOGRAFIA ocwus.us.es/ingenieria-agroforestal/hidraulica-y riegos/temario/Tema%204.../page_10.htm/skinless_view - 17k www.cepis.ops-oms.org/bvsacd/scan2/011643/011643-05.pdf www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s06.htm - 78k www.icpa.org.ar/files/estirriIH1.doc www.cepis.ops-oms.org/bvsacd/scan/027757/027757-03b.pdf www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000117/contenido /cap5/lec5_5.htm - 38k -
