BONILLA ARBILDO BRYAN PAUL. CHAVEZ CALDERÓN EDER. LÓPEZ SANTILLAN ISAI ISAAC. PACHECO GRADOS WYLLY CHRYSTYAM EDUARDO. PARIMANGO AGREDA EDER FELIPE.
pág. 2
Ing. Hansel Paz Muro
INFORME Nº 001 – 2014 - I – UCV/FIC/EIC
De
:
Los Alumnos.
Para
: Ing. Hansel Paz Muro.
Asunto
: “Compuertas”
Fecha
: Trujillo 30 de Junio del 2014.
Con todo respeto nos presentamos ante Ud. con el objetivo de dar a conocer el presente informe: “Introducción a la mecánica de fluidos”, ha sido elaborado con el
propósito de conocer los fundamentos básicos del curso que llevaremos. Esperando que el informe presentado sirva de motivación para los futuros trabajos de investigación y aprendizaje, el mismo que se verá enriquecido con vuestras observaciones y aportes. Atentamente.
LOS ALUMNOS
pág. 3
Ing. Hansel Paz Muro
DEDICATORIA:
Al Ing. Hansel Paz Muro, quien sembró en nosotros la inquietud y el amor al conocimiento, y sobre todo el constante afán
de
superación
al
estudiante
Vallejiano.
pág. 4
Ing. Hansel Paz Muro
ÍNDICE:
INTRODUCCIÓN
Objetivos------------------------------------------------------------------------------- 7
Justificación--------------------------------------------------------------------------- 8
Marco Teórico------------------------------------------------------------------------ 9
Conclusiones--------------------------------------------------------------------------24
Bibliografía y Linkografía ----------------------------------------------------------25
Anexos---------------------------------------------------------------------------------26
pág. 5
Ing. Hansel Paz Muro
I.
INTRODUCCIÓN
En el siguiente Trabajo de Mecánica de Fluidos hablaremos sobre las compuertas hidráulicas. Ellas son dispositivos hidráulicos – mecánico destinadas a regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubería, en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica. Las compuertas fueron creadas por europeos pero en nuestro continente los primeros en utilizarlas fueron los indígenas en Mesoamérica; eran hechas ya sea con meras obstrucciones de tierra en los canales, sea como compuertas de cabecera y de desagüe a manera de puertitas en los canales. Las aplicaciones que tienen las compuertas son las del control de flujos de aguas, control de inundaciones, proyectos de irrigación, crear reservas de agua, sistemas de drenaje, proyectos de aprovechamiento de suelos, plantas de tratamiento de agua, incrementar la capacidad de reserva de las presas entre otras. Entre los diferentes tipos compuertas están Compuerta tipo anillo, basculante, cilindro, esclusa, lagarto, rodante, sector, segmento, Stoney, tambor, tejado, vagón, vicera.
pág. 6
Ing. Hansel Paz Muro
II.
OBJETIVOS
Objetivo General:
Determinar la gran importancia y el uso que tienen los diferentes tipos de compuertas hidráulicas en la rama de la ingeniería.
Objetivos específicos:
Explicar las múltiples aplicaciones que tienen las compuertas hidráulicas.
Explicar los diferentes tipos de compuertas hidráulicas que existen.
Mostrar esquemáticamente los tipos de compuertas hidráulicas.
Demostrar las ecuaciones de caudal y de coeficientes de gastos.
pág. 7
Ing. Hansel Paz Muro
I.
JUSTIFICACION
Las compuertas hidráulicas tienen un papel muy importante ya que nacen de una necesidad o un problema, bien sea social, político, económico en donde su objetivo no es más que satisfacer necesidades ya que nos brinda un mejor desarrollo. En el quehacer de ingenieros sanitarios e ingenieros civiles, incluye diseño de estructuras hidráulicas que almacenen, contengan y transporten fluidos, especialmente agua, por ello es necesario conocer todos aquellos elementos aplicados para relacionar las propiedades de los fluidos quietos y en movimiento con herramientas analíticas que nos permitan dimensionar adecuadamente dichas estructuras, cuantificar los flujos a través de ellos y enfrentar los fenómenos hidráulicos que el transporte de estos genere.
pág. 8
Ing. Hansel Paz Muro
III.
BASE TEORICA
Una compuerta consiste en una placa móvil, plana o curva, que al levantarse permite medir el caudal que atraviesa un canal, presa, esclusa, obra de derivación y obras hidráulicas de gran envergadura, a la vez que regula la descarga producida.
Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento.
Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de operación.
pág. 9
Ing. Hansel Paz Muro
Incrementar capacidad de reserva de las presas
Plantas de tratamiento de agua
Control de flujos de aguas
Proyectos de aprovechamiento de suelos
Control de inundaciones
Sistemas de drenaje
Proyectos de irrigación
Crear reservas de agua pág. 10
Ing. Hansel Paz Muro
Las compuertas se clasifican según su uso para obras hidráulicas de gran envergadura, (canales, presas, esclusas, etcétera) y para tuberías. Los principales tipos de compuertas de gran envergadura son: COMPUERTA TIPO TEJADO
Es operada utilizando el desnivel de agua creado por éstas y no requiere de equipo mecánico para su operación.
Figura 1. Compuerta tipo tejado
COMPUERTA BASCULANTE
Puede ser utilizada tanto en la cima del vertedero de una presa o instalada en el fondo de un río o canal.
Figura 2. Compuerta basculante
pág. 11
Ing. Hansel Paz Muro
COMPUERTA TIPO CILINDRO
Las compuertas cilíndricas se utilizan para descargas en presión, permitiendo la colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas. Se acopla fácilmente a una tubería de salida.
Figura 3. Compuerta cilíndrica
COMPUERTA TIPO ESCLUSA
Tienen bisagras verticales que se accionan por medios mecánicos o por pistones hidráulicos que permiten el paso de embarcaciones que deben atravesar una diferencia de niveles pronunciados.
Figura 4. Compuerta tipo esclusa (vista de planta)
pág. 12
Ing. Hansel Paz Muro
COMPUERTA TIPO SECTOR
Es una compuerta utilizada en vertederos y presas, es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por éstas, no requiere de equipo mecánico para su operación. La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el vertedero no pueda tener la forma adecuada, lo que incrementa el volumen de hormigón del mismo.
Figura 5. Compuerta tipo sector
pág. 13
Ing. Hansel Paz Muro
COMPUERTA TIPO STONEY
Son utilizadas para tomas de presión para descargas de fondo o para la toma de una central hidroeléctrica.
Figura 6. Compuerta tipo Stoney
COMPUERTA TIPO VISERA
Es utilizada en canales navegables. Es accionada por un pistón hidráulico o neumático.
Figura 7. Compuerta tipo visera
pág. 14
Ing. Hansel Paz Muro
COMPUERTA PLANA
Son el tipo de compuertas que tienen propiedades hidráulicas cuando están bien calibradas, y pueden emplearse como medidores de flujo.
Figura 8. Compuerta plana
Las compuertas planas según su flujo aguas abajo se clasifican en descarga libre y descarga sumergida. Figura 9. Compuerta con descarga libre y sumergida
pág. 15
Ing. Hansel Paz Muro
PRINCIPIOS HIDRAULICOS Compuertas de fondo
Es una estructura hidráulica que mide la cantidad de flujo que atraviesa un borde biselado en un área determinada, dicho flujo toca un punto en la compuerta. Funcionamiento hidráulico
La red de flujo de la compuerta plana, permite explicar con claridad la contracción que experimenta el chorro descargado por la abertura de altura, hasta alcanzar un valor en una distancia, en que las líneas de corriente se vuelven horizontales y tienen por ello una distribución hidrostática de pr esiones. Debido al fenómeno de contracción y a la fricción con el piso, se produce una pérdida de carga que influye en el cálculo del gasto. Asimismo, la carga con que llega el agua en el canal, aguas arriba de la compuerta, tiene mayor importancia a medida que la relación disminuye. En el canto inferior de la compuerta las líneas de corriente tienden a unirse y es ahí donde la velocidad adquiere su máximo valor. Debido a la curvatura de las líneas de corriente una gran presión actúa sobre la línea de intersección del plano de la compuerta, razón por la cual se tiene una velocidad pequeña. Figura 18. Red de flujo para una compuerta plana
pág. 16
Ing. Hansel Paz Muro
Para obtener la ecuación que proporcione el caudal, se considerará el caso más general de una compuerta plana, con una inclinación respecto de la horizontal y un ancho (ver figura 19). La inclinación es equivalente a la tangente en el punto que toca el flujo en la compuerta radial (ver figura 20), y con = incluye el caso de la compuerta vertical (ver figura 21).
Figura 19. Compuerta plana inclinada
Figura 20. Compuerta radial
pág. 17
Ing. Hansel Paz Muro
Figura 21. Compuerta plana vertical
En la figura 21, los elementos son:
pág. 18
Ing. Hansel Paz Muro
Ecuaciones de cálculo del caudal
El flujo a través del orificio formado por el labio inferior de la compuerta y el fondo del canal puede considerarse bidimensional. Nótese que la descarga supercrítica bajo la compuerta reduce progresivamente su profundidad a lo largo de una corta distancia I, aguas abajo, hasta una sección en donde la contracción del chorro es completa, llamada Vena contracta.
La profundidad del flujo en la vena contracta y 2, se relaciona con la abertura a, por medio del coeficiente de contracción Cc, así:
(1)
Además, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que: (2)
pág. 19
Ing. Hansel Paz Muro
Reemplazando (1) en (2), se tiene:
(3)
Suponiendo las hipótesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme, distribución hidrostática de presiones, lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas, en paredes y fondo del canal, la ecuación de Bernoulli expresa lo siguiente:
(4)
(5)
Por continuidad:
[ ] [ ]
(6)
De donde:
(7)
Sustituyendo (7) en (5) , se tiene:
pág. 20
Ing. Hansel Paz Muro
Distribuyendo el binomio y simplificando se tiene:
√ Sacando raíz cuadrada:
(8)
Reemplazando y2 = a.Cc en la anterior, se tiene:
√ √ √ √
(9)
Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta:
(10)
(11)
Ahora, reemplazando las ecuaciones (11) en la (6), se tiene:
Ing. Hansel Paz Muro
(12)
(13)
(14)
pág. 21
Introduciendo el coeficiente de descarga, Cd, como:
(15)
Resulta:
√
(16)
De otro lado, a partir de la ecuación (15), para Cv, se tiene:
(17)
Elevando al cuadrado se tiene:
) ( ) ( ) ( () () ()() ()
(18)
pág. 22
Ing. Hansel Paz Muro
Ejercicio Aplicativo
C o m o s e m u e s t r a En
la figura los tirantes a una distancia pequeña, aguas arriba y aguas abajo, de una compuerta deslizante que descarga agua a un canal horizontal, son =2.40m.el canal es de sección rectangular de 3.00m de ancho
Calcular: a) La abertura que debe tener para descargar un gasto de 7
;
b) Con esta misma abertura, calcular los coeficientes gasto y el tirante de la sección contraída.
pág. 23
Ing. Hansel Paz Muro
CONCLUSIONES
Se explicó de manera detallada las múltiples aplicaciones que tienen las compuertas hidráulicas.
Se explicó los diferentes tipos de compuertas que existen.
Se mostró esquemáticamente los tipos de compuertas hidráulicas.
Se demostraron las ecuaciones de caudal y coeficientes de gastos.
AUTOCRITICA Al terminar la investigación acerca de las compuertas hidráulicas, hemos podido determinar la importancia y las aplicaciones que tienen las diferentes compuertas aquí, ya explicadas y representadas en esquemas visuales, además pudimos concluir que las compuertas son utilizadas mayormente en presas de gran tamaño, las cuales tienen las función general de aliviar, mantener o soportar un nivel de agua, dependiendo de la función que se quiera poner a cumplir tal compuerta, un ejemplo bastante conocido, son las compuertas del canal de Panamá, las cuales son de vital importancia en la economía mundial, ya que debido a estas el tiempo de transporte de cargas en barcos, se hace más corto.
pág. 24
Ing. Hansel Paz Muro
BIBLIOGRAFIA Y LINKOGRAFIA
SOTELO DAVILA, Gilberto. Hidráulica General, Vol1 (1era edición) Paginas (203 – 239) Orificios y compuertas.
ALONZO VASQUEZ, Andy Williams. Medicion del flujo en compuertas y orificios. Guatemala 2013.
http://es.wikipedia.org/wiki/Compuerta_hidr%C3%A1ulica
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/flujo_compu ertas/flujo_compuertas.html
pág. 25
Ing. Hansel Paz Muro
ANEXOS
MAQUETA COMPUERTA
pág. 26
Ing. Hansel Paz Muro
