!ert"uiopasdf#$%&l'(c)*nm! ert"uiopasdf#$%&l'(c)*nm!ert "uiopasdf#$%&l'(c)*nm!ert"ui opasdf#$%&l'(c)*nm!ert"uiop Informe: Medición de caudales por molinete. asdf#$%&l'(c)*nm!ert"uiopas ESCUELA POLITECNICA NACIONAL df#$%&l'(c)*nm!ert"uiopasdf #$%&l'(c)*nm!ert"uiopasdf#$ %&l'(c)*nm!ert"uiopasd %&l'( c)*nm!ert"uiopasdf#$%&l f#$%&l '(c)*nm!ert"uiopasdf#$%&l'( c)*nm!ert"uiopasdf#$%&l'(c) *nm!ert"uiopasdf#$%&l'(c)*n m!ert"uiopasdf#$%&l'(c)*nm !ert"uiopasdf#$%&l'(c)*nm! ert"uiopasdf#$%&l'(c)*nm!ert "uiopasdf#$%&l'(c)*nm!ert"ui opasdf#$%&l'(c)*nm!ert"uiop asdf#$%&l'(c)*nmrt"uiopasdf#$ %&l'(c)*nm!ert"uiopasd %&l'( c)*nm!ert"uiopasdf#$%&l f#$%&l +a)id ,im-ne' ,os- urtado /l)aro Tip0n
Objetivos: •
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+emostrar la )alide' de los m-todos empleados en la determinación de la )elocidad media " del caudal. Adoptar un m-todo para 1nes pr0cticos de acuerdo al resultado de las o*ser)aciones. 2amiliari'ar al estudiante con la utili'ación de estos instrumentos de medición.
Marco teórico: Un Molinete o Micro3Molinete es un instrumento usado para medir la )elocidad del a#ua en un canal a*ierto. La )elocidad del a#ua se mide en diferentes puntos de la corriente poniendo el molinete " contando el n4mero de re)oluciones del rotor durante un inter)alo de tiempo determinado. Es un instrumento de la*oratorio similar a la )eleta5 con la particularidad de ser m0s peue6o " poseer en su e(tremo inferior )arias aspas similares a las de un )entilador.
Permite la operación sumer#ido por lar#os per7odos con un m7nimo mantenimiento. 8eali'ado en aluminio5 posee un mecanismo de #ran ro*uste' " dura*ilidad. Para la determinación de la )elocidad media se tienen )arios m-todos: •
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M-todo de los puntos: Se de*en reali'ar distintas o*ser)aciones de )elocidad en cada )ertical dependiendo de la profundidad del curso del a#ua. Para secciones de poca profundidad 9menores a ; cm< se reali'an o*ser)aciones en cada )ertical colocando el molinete a ;5 de la profundidad total por de*a%o de la super1cie li*re. Para profundidades superiores5 #eneralmente5 se mide la )elocidad a ;5= " lue#o a ;5> de la profundidad de la super1cie li*re " se usa el promedio de las dos medidas como la )elocidad media en la )ertical. M-todo de m4ltiples puntos: consiste en medir )elocidades en muc$as posiciones de la )ertical para de1nir el per1l de )elocidad *astante *ien " as7 calcular una )elocidad media lo su1cientemente e(acta. M-todo super1cial: implica medir la )elocidad cerca de la super1cie li*re " despu-smultiplicarla por un coe1ciente ue )a desde ;5>? a ;5@?5 dependiendo de la profundidad del a#ua5 de la )elocidad5 " de la naturale'a del r7o o canal.
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M-todo de inte#ración: En este m-todo el molinete es sumer#ido " ele)ado a lo lar#o de toda la )ertical a una )elocidad uniforme. La )elocidad de ascenso o descenso del molinete no de*er0 ser superior al ? de la )elocidad media del Bu%o en toda la sección trans)ersal " en todo caso de*er0 estar comprendida entre ;.; " ;.D; ms. Se determina el n4mero de re)oluciones por se#undo. Cur)as Isot0uicas: Consiste en tra'ar l7neas de i#ual )elocidad en el per1l del cauce " o*tener la )elocidad media de la sección por inte#ración directa.
Procesamiento de datos: D. Calcular la )elocidad media en la sección trans)ersal aplicando cada uno de los m-todos mencionados5 para lo cual use la fórmula correspondiente a la $-lice utili'ada se#4n el ran#o de )ariación del n4mero de re)oluciones •
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M-todo de un solo punto: FG F en ;.d D< ;.>D@ Hms =< ;.>J? Hms K< ;.@;@ Hms M-todo de = puntos: F G 9F ;.= F;.>< = D< ;.>;K Hms =< ;.>> Hms K< ;.>J? Hms M-todo de K puntos: F G 9F ;.= F;. F;.>< K D< ;.>;; Hms =< ;.>? Hms K< ;.>> Hms M-todo de ? puntos: F G 9Fs KF ;.= =F;. KF;.> F*< D; D< ;.>;; Hms =< ;.>K> Hms K< ;.>J= Hms M-todo de m4ltiples puntos:
FG areadGD;?=.@@DD=.JKG >=.?9cms< G ;.>=? Hms =. Calcular el coeficiente de ener#7a " el de la cantidad de mo)imiento para lo cual use las )elocidades puntuales " apliue las si#uientes fórmulas:
F G )elocidad media total ) G )elocidad media de cada se#mento de la sección trans)ersal A G 0rea total de la sección trans)ersal A G 0rea de cada se#mento de la sección trans)ersal
K. Tra'ar los #r01cos correspondientes para el dia#rama de )elocidades " de all7 determinar el caudal espec71co
+IST8IUCIQN +E FELOCI+A+ES: P8IME8A FE8TICAL
G =R ;G DJ>; G ;.DJ> m =s +IST8IUCIQN +E FELOCI+A+ES: SEUN+A FE8TICAL
G =JR ;G DJ;>; G ;.DJ;> m =s
+IST8IUCIQN +E FELOCI+A+ES: TE8CE8A FE8TICAL
G K=.R ;G DJ=@ G ;.DJ=@ m =s
4) Calcular el caudal Q para cada método de determinación de la velocidad media.
D< M-todo de un solo punto: G F;.dR A G ;.= 9ls<
=< M-todo de los dos puntos G 9F;.= F;.><= R A G ;.=J 9ls<
K< M-todo de los tres puntos: G 9F;.= F;.> F;.<K RA G ;.K= 9ls<
< M-todo de los cinco puntos G 9Fs KF ;.= KF;.> =F;. F*<D; R A G ;.=?9ls<
?< M-todo de m4ltiples puntos:
FG /8EAdGD;?=.@@DD=.JKG >=.?9cms< G A R F G >=.? R 9D=.JKR;< G ;.=; 9ls<
5) Haa un an!lisis de los resultados obtenidos" indicando los métodos m!s recomendables El m-todo de dos puntos5 cinco puntos " m4ltiples puntos5 no presentan )aria*ilidad #rande en sus resultados dando los tres m-todos un caudal apro(imado de ;.=5 puesto ue los tres m-todos son los ma"ormente aconse%ados.
P#$%$&'(C*& +$ #$%,-'(+O% C!lculo de las velocidades medias en cada sección /por cada uno de los di0erentes métodos: punto" 1 puntos" 5 puntos). .
D< M-todo de un solo punto: FmG F;. G ;.>> 9ms<
=< M-todo de los dos puntos Fm G 9F;.= F;.><= G ;.>K@ 9ms<
K< M-todo de los cinco puntos FmG 9Fs KF ;.= KF;.> =F;. F*<D; G ;.>K?9ls<
2r!3co de las velocidades medidas en las tres verticales de la sección transversal del canal un r!3co promedio" relacionando velocidad con su ubicación vertical /) comparación de los per3les de distribución de velocidad en cada una de las verticales. 1)
+IST8IUCIQN +E FELOCI+A+ES: P8IME8A FE8TICAL
+IST8IUCIQN +E FELOCI+A+ES: SEUN+A FE8TICAL
+IST8IUCIQN +E FELOCI+A+ES: TE8CE8A FE8TICAL
+IST8IUCIQN +E FELOCI+A+ES P8OME+IO
6) 2r!3co de la variación de velocidades a lo laro del anc7o del canal /sección transversal) 8 distribución de velocidades en planta" para cada medida de velocidad tomada a una pro0undidad dada.
. 9Qué otros procedimientos eisten para la obtención de las velocidades de ;ujo en canales< Uso de instrumentos electrónicos en la medición de )elocidades +os instrumentos electrónicos de )elocidad5 como son los per1ladores de corriente de efecto +oppler ac4sticos 9A+CP< " los )eloc7metros #r01cos de part7culas a #ran escala 9LSPIF<5 constitu"en e%emplos de instrumentos nue)os " emer#entes de medida de la )elocidad ue est0n cam*iando el modo de medir los recursos $7dricos de la super1cie.
Estos instrumentos pueden medir de forma e1ca' las )elocidades de los r7os ue sean necesarias para comprender me%or los comple%os procesos #eomór1cos5 $idroló#icos " ecoló#icos ue afectan a los cauces Bu)ialesV as7 como su interacción en condiciones normales " e(tremas. Medidor doppler El medidor +oppler calcula el #asto en función de dos )aria*les principales: el 0rea $idr0ulica " la )elocidad media. Estos medidores tienen unos emisores de ondas de ultrasonido " unos receptores de las mismas ondas. Primeramente5 el emisor en)7a una onda a una determinada frecuencia " el receptor capta las ondas ue son reBe%adas en el a#uaV inclusi)e5 la onda puede reBe%arse en part7culas de sólidos en suspensión o en *ur*u%as de aire. Si el a#ua est0 en mo)imiento5 las ondas reBe%adas tendr0n una frecuencia diferente de la emitida. La diferencia de frecuencia indica al dispositi)o la )elocidad de la corriente. Per1ladores de corriente Los A+CP necesitan ue el sensor est- en contacto con el a#ua5 para as7 poder transmitir " medir los pulsos sonoros 9pin#s< diri#idos a tra)-s de la columna de a#uaV los reBe%os de estos pulsos sonoros5 o *ien el eco procedente de part7culas o *ur*u%as peue6as " suspendidas ue se mue)en en el medio ac4stico5 producen un despla'amiento en el sonido transmitido5 a partir del cual se determina la )elocidad. Este fenómeno5 el despla'amiento +oppler5 es el mismo ue el cam*io en el tono perci*ido por una persona cuando un tren ue est0 accionando un sil*ato pasa %unto a ella. Los pulsos en)iados en diferentes direcciones o $aces5 desde el A+CP detectan diferentes componentes de la )elocidad5 de forma paralela a cada uno de los $aces. Suponiendo ue las corrientes sean uniformes 9$omo#-neas< dentro de las capas de espesor constante5 se emplea una transformación tri#onom-trica para con)ertir la )elocidad re#istrada a lo lar#o de los $aces en tres componentes de )elocidad5 asociadas a un sistema de coordenadas cartesianas orientado $acia el instrumento.
Feloc7metro ac4stico +oppler Un medidor ac4stico +oppler de )elocidad5 conocido como el A+F5 $a sido desarrollado para medir las )elocidades del a#ua en cauces a*iertos5 a unos pocos cent7metros del sensor. Como la distancia de la medición de la )elocidad espeue6a5 proporciona datos de )elocidad ue podemos considerar como )elocidades puntuales5 para efectos pr0cticos5 el uso de este instrumento est0 limitado a medir el caudal en r7os poco profundos. Medidores ultrasonicos El uso de los medidores ultrasónicos en #eneral $a sido destinado para la medición precisa de Bu%o en pro"ectos de in)esti#ación en la*oratorios o in)esti#aciones de campo en donde se reuieran $acer mediciones con m0s detalle de las condiciones $idrodin0micas en canales o r7os. Para otros 1nes distintos5 no es com4nV dado ue es relati)amente m0s f0cil tener una sección de aforo donde se ten#an instalados dispositi)os cali*rados para diferentes condiciones de Bu%o5 como )ertedores5 Pars$all5 compuertas entre otros. =. Como )aria la )elocidad a medida ue el calado W aumenta $asta lle#ar a la super1cie li*re. Como se o*ser)a en los datos " las #ra1cas o*tenidas la distri*ución de )elocidades aseme%a a una par0*ola con )-rtice en el fondo del canal " con irre#ularidades a lo lar#o ue el calado aumenta en la super1cie la )elocidad de*e ser ma"or aunue marca una tendencia a disminuir. K. Xu- pasa con el esfuer'o cortante en el fondo del canal " ue )alor de )elocidad se tieneY El )alor de esfuer'o cortante en el fondo del canal es constante " el m7nimo permisi*le para ue se pueda circular el a#ua de manera uniforme " mu" cercana entre los puntos el )alor de la )elocidad en el fondo tiende a ser el m7nimo de todos los )alores o*tenidos " di1ere poco en los tres puntos o*ser)ados esta diferencia se puede dar por ru#osidades en el canal " su )alor es de ;.JK?
. Calcule5 los coe1cientes de ener#7a " de cantidad de mo)imiento utili'ando al#4n m-todo apro(imado. Felocidades Medias Puntuales
d
Ener#ia
m ;5JK? ;5KK
Fm 2ON+O
Cantidad de mo)imie nto
Nm
;5>d
;5>>
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D;5=
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3D5=DJ
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3;5?D?
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35J
SUPE82ICIE
;5>
;5=
K5=D
?. +el resultado de sus o*ser)aciones " consultas5 su#iera al#4n m-todo para la medición de )elocidades. So*re las consultas " la e(periencia o*tenida con el m-todo del molinete5 su practicidad5 su facilidad de aplicación se recomendar7a este m-todo para la determinación de )elocidades en un canal a escala peue6a o ma"ores. . 8ealice un estudio comparati)o de los tres per1les o*tenidos durante la e(periencia tanto en planta como en per1l Z conclusiones.
+e estos resultados se o*ser)a claramente la distri*ución de )elocidades a lo lar#o de un canal en una sección trans)ersal o*ser)0ndose la irre#ularidad presentan los picos en las )elocidades cam*ios *ruscos entre mismos calados e(plicados por ru#osidades del mismo canal ue #eneran cam*ios en el Bu%o del a#ua a lo lar#o del canal " pueden afectar a las lecturas
+e lo o*ser)ado desde una )ista en planta de la distri*ución de )elocidades se )isuali'a una uniformidad entre cada calada para la )elocidad siendo la diferencia en cada uno el )alor ue toma en el e(tremo superior puesto ue desde el fondo a la super1cie la )elocidad tiende a ser ma"or para cada sección asi mismo como se o*ser)a en las #ra1cas de sección trans)ersal. =ibliora0>a: $ttp:!!!.imt.m(arc$i)osPu*licacionesPu*licacionTecnicaptK?.pdf $ttp:!!!.1c.umic$.m([statiananose.pdf
